Modelización transitoria y optimización de fachada ventilada con PCM mediante software CFD

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1 Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Minas y de Obras Públicas TRABAJO FIN DE GRADO Modelización transitoria y optimización de fachada ventilada con PCM mediante software CFD Grado en Ingeniería de Tecnología de Minas y Energía (especialidad Energía) Directores Ane Miren García Romero Koldo Martín Escudero Autor Jose Maria Mendibil Jambrina Junio 2015

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3 Índice de contenido. Índice de figuras...9. Índice de tablas RESUMEN INTRODUCCIÓN. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. ESTADO DEL ARTE Introducción Estado del Arte OBJETO Descripción de la fachada ventilada Descripción del PCM MEDIOS EMPLEADOS La celda PASLINK Descripción Funcionamiento Procesamiento de los datos obtenidos Necesidad de la Mecánica de Fluidos Computacional FUNDAMENTO TEÓRICO Fenómenos físicos Transmisión de calor Conducción Convección Radiación Temperatura Sol-aire Variación de la radiación solar a lo largo del año Intercambio de masa Flujo volumétrico y velocidad 2D Número de Reynolds /203

4 Cambios de estado Comportamiento Energético del PCM Cp ensayado Aplicación de la CFD Software CFD CFD. Bases de funcionamiento CFD. Distintas estrategias de cálculo Simulación estacionaria y simulación transitoria Definiciones Simulación estacionaria Simulación transitoria o dinámica Desviaciones de la simulación estacionaria respecto a la transitoria Una consecuencia Geometría y Regiones Mallado y modelos de mallado Tipos de celdas Modelos matemáticos Sondas, Monitores, Derived Parts Solvers y Stopping Criteria. Residuals PROCEDIMIENTO DE LA CFD Función del modelo y características Introducción Creación del modelo Definición y geometría de la fachada Definición del mallado Opciones de mallado y justificación de la elección adoptada Características del mallado configurado /203

5 6.6. Definición de los modelos físicos Modelos para el aire Modelos para los sólidos Modelización del PCM Modelos de convección-conducción Modelos de radiación Temperatura Sol-aire Modelo de radiación Sondas. Monitores. Plots. Reports Definición de los parámetros de cálculo (solvers) Stopping Criteria. Residuals Postprocesado Gráficos de temperatura obtenidos Gráficos de calor obtenidos Residuals. Gráfico METODOLOGÍA Validación del modelo Ensayos PASLINK Proceso de validación Datos introducidos para la validación del modelo Conclusiones Análisis Paramétrico Variables a estudiar Nomenclatura empleada Denominación de los diseños Fronteras del modelo Coeficientes para el procesado de resultados Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) /203

6 Coeficiente de Calor Expulsado 2 (CCE2) o Coeficiente del Aire Coeficiente de Calor Interior (CCI) Índice de Inercia Térmica (IIT) Datos climáticos Cálculo de los parámetros posicionales solares para cada hora Cálculo de los parámetros de radiación Radiación extraterrestre normal y horizontal Índice de claridad kt Componentes de la radiación solar Índice anisotrópico, Rb y f Modelo HDKR Cálculo de la temperatura sol-aire Selección de datos Datos de los PCM alternativos PCM de alta entalpía PCM de alta temperatura de fusión RESULTADOS Y DISCUSIÓN Resultados y discusión de la validación Resultados del análisis paramétrico Temperaturas del aire Temperaturas del PCM Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) Coeficiente de Calor Expulsado 2 (CCE2) o Coeficiente del Aire Coeficiente de Calor Interior (CCI) Índice de Inercia Térmica (IIT) Discusión Evacuación del calor mediante el aire Calor que entra al edificio /203

7 Inercia Térmica de la Fachada CONCLUSIONES AGRADECIMIENTOS APLICABILIDAD FUTUROS TRABAJOS Trabajos complementarios Clima de invierno y climas intermedios Otros climas Caudal de aire Identificar máxima cámara de aire Combinación de variaciones Puentes térmicos Mejoras en el diseño de la fachada Regulación automática del flujo de aire Varios tipos de PCM Capa exterior adicional transparente Canales de aire integrados en PCM Optimización del diseño de las aletas Tratamiento superficial selectivo BIBLIOGRAFÍA Y NORMATIVA ANEXOS Planos y Dibujos Gráficos Fotografías Propiedades de los materiales Propiedades del PCM RT Propiedades del aire Propiedades de los PCM alternativos /203

8 Propiedades del aluminio del encapsulado Propiedades del aislante XPS Propiedades de la fábrica de ladrillo Propiedades del enlucido de yeso Temperaturas del aire y Temperatura sol-aire Catálogos /203

9 Índice de figuras Figura 1: Esquema de la fachada analizada. Fuente: ENEDI...30 Figura 2: Representación de la fachada ventilada. Fuente: ENEDI...31 Figura 3: Esquema de celda PASSYS. Fuente: ENEDI...36 Figura 4: Fotografía de las dos celdas PASLINK del LCCE. Fuente: ENEDI...36 Figura 5: Celda PASLINK con extractores de aire. Fuente: ENEDI...37 Figura 6: Detalle de los sensores integrados en la fachada prototipo...38 Figura 7: Recorrido solar en los solsticios en Madrid (Elaboración propia)...58 Figura 8: Inclinación del plano de rotación terrestre (Fuente: Planetario de Pamplona [0])...59 Figura 9: Radiación solar recibida en los solsticios de verano e invierno en Madrid. Elaboración propia a partir de datos climáticos del CTE...59 Figura 10: Temperaturas transitorias en la fachada...74 Figura 11: Calidad de las celdas del mallado. Fuente: Manual STAR-CCM Figura 12: Geometría de la fachada en vista normal eje z...90 Figura 13: Geometría de la fachada. Detalle inferior en vista 3D...91 Figura 14: Geometría de la fachada. Detalle del encapsulado...91 Figura 15: Algunos parámetros introducidos para generar la geometría...93 Figura 16: Detalle del mallado 3D obtenido. Vista transparente...95 Figura 17: Detalle del mallado 3D obtenido. Vista sólida...96 Figura 18: Mallado 2D utilizado en el modelo (confección propia)...97 Figura 19: Localización de las sondas de temperatura Figura 20: rt35. Temperaturas obtenidas en las simulaciones Figura 21: Comparativa configuraciones fachada. Temperaturas PCM Figura 22: Comparativa configuraciones fachada. Temperaturas del Aire Figura 23: Temperaturas de validación del PCM /203

10 Figura 24: Temperaturas de validación del aire Figura 25: Resultados: Temperaturas del aire Figura 26: Resultados: Temperaturas del PCM Figura 27: Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) Figura 28 Flujos de calor por la superficie exterior rt Figura 29: Intercambios de calor en la hoja exterior de todas las fachadas Figura 30: Coeficiente de Calor Expulsado 2. Valores Figura 31: Coeficiente de Calor Interior. Valores Figura 32: Índice de Inercia Térmica. Valores Figura 33: Perfil de aluminio utilizado para contener el PCM. Fuente: [22] Figura 34: Resultados HDKR cuatro días Figura 35: Selección HDKR tres días Figura 36: Temperaturas obtenidas en la simulación rt Figura 37: Algunos flujos de calor obtenidos en la simulación rt Figura 38: Residuals de la simulación rt Figura 39: Llenado de los perfiles de aluminio con el PCM fundido. Fuente: ENEDI Figura 40: RT35.Cp-T ensayado Figura 41: Calor específico del PCM de alta capacidad (PCMH) Figura 42: Calor específico del PCM de alta temperatura de fusión (PCM42) Figura 43: Temperaturas del aire y sol-aire de excitación de las simulaciones Figura 44: Propiedades del RT-35 de Rubitherm. Hoja del fabricante /203

11 Índice de tablas Tabla 1: Recuento de celdas en mallado 3D...96 Tabla 2: Resultados numéricos de las simulaciones: Coeficientes, Temperaturas medias y Calor Intercambiado Tabla 3: RT35. Puntos seleccionados Cp-T ensayado Tabla 4: Propiedades del PCM RT Tabla 5: Propiedades físicas del aire utilizadas Tabla 6: Propiedades del aluminio utilizadas en las simulaciones Tabla 7: Propiedades del aislante XPS Tabla 8: Propiedades de la fábrica de ladrillo Tabla 9: Propiedades del enlucido de yeso /203

13 CAPÍTULO 1 RESUMEN 13/203

15 1 RESUMEN En el presente Trabajo se evalúa el comportamiento de diversas variaciones en el diseño de una fachada ventilada activa que contiene un material de cambio de fase (PCM) en su hoja exterior. Para ello, se construye un modelo informático, que es validado por ensayos experimentales previamente realizados por el grupo ENEDI de la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea UPV/EHU en el Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación (LCCE) del Gobierno Vasco en Vitoria-Gasteiz. Para su validación, este modelo es simulado reproduciendo las condiciones climáticas del ensayo, y comparados sus resultados con los obtenidos en aquel. Una vez validado el modelo, se ha seleccionado un clima de verano para realizar las simulaciones de las variaciones, por ser el que más potencial tiene para obtener ahorros energéticos con este tipo de fachadas, y se han simulado las mismas en idénticas condiciones climáticas (pero distintas de las experimentales). Con los resultados obtenidos con estas simulaciones, se han realizado cálculos comparativos, en forma de coeficientes de rendimiento, para evaluar los efectos de las distintas variaciones en el comportamiento global de la fachada, con la intención de identificar las variaciones susceptibles de ofrecer mayores mejoras con un menor coste económico, y que sean aplicables tanto a rehabilitación de edificios existentes como a obra nueva. Finalmente se proponen trabajos complementarios o en la misma línea que el presente, y se proponen nuevas mejoras en el diseño de la fachada, que también deberían ser objeto de estudio antes de su implantación. 15/203

17 CAPÍTULO 2 INTRODUCCIÓN. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. ESTADO DEL ARTE 17/203

19 2 INTRODUCCIÓN. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. ESTADO DEL ARTE 2.1 Introducción En el Informe de Evaluación de los Ecosistemas del Milenio de Naciones Unidas [20], se exponen cuatro conclusiones. La primera es que en los últimos 50 años los seres humanos han transformado los ecosistemas con mayor rapidez y profundidad que en ningún otro periodo de la historia humana, y esto ha generado una pérdida considerable y en gran medida irreversible de la biodiversidad en la Tierra. La segunda es que estos cambios han traído la degradación de los servicios de los ecosistemas y aumentado el riesgo de cambios no lineales, y esto producirá grandes perjuicios a las generaciones venideras. La tercera es que esta degradación podría ir a peor durante la primera mitad del presente siglo, y la cuarta que se requieren cambios significativos en las políticas y prácticas que se llevan a cabo, para revertir estos cambios negativos y satisfacer al mismo tiempo los requerimientos humanos. En este marco, se encuentra el mandato de la Unión Europea, que pretende que para el año 2020 se produzca una reducción del 20% del consumo de energía primaria en la UE respecto a la proyección que existía para ese año en 2007, así como la reducción del 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero respecto a las del año 1990 y elevar la contribución de las energías renovables al 20% del consumo de energía final. En este ámbito se sitúa el estudio de la mejora en la eficiencia térmica de los edificios aportada por las fachadas ventiladas, y el de las mejoras a su diseño, como la inclusión de materiales de cambio de fase, ya que el uso de este tipo de fachadas 19/203

20 contribuye al ahorro energético, y por tanto a la reducción de emisión de gases de efecto invernadero generados para producción de calefacción o refrigeración de aire en las viviendas. La forma de aumentar este confort térmico es reducir la influencia de las temperaturas exteriores extremas de verano e invierno sobre la temperatura interior del edificio, reduciendo las necesidades de energía para mantenerla estable y adecuada mediante refrigeración o calefacción. Se han llevado a cabo diversos estudios en este sentido, y este trabajo es una parte de este esfuerzo, siendo una continuación de parte de ellos. Más allá del confort térmico, el ahorro energético es un factor de importancia en el diseño de edificios, puesto que a lo largo de su vida, pequeñas mejoras representan grandes ahorros de energía acumulados, que a su vez, suponen grandes ahorros económicos para sus ocupantes, y una importante y necesaria disminución de la emisión de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Adicionalmente, el consumo de energía de las viviendas españolas supone alrededor del 20% del consumo total del país, con un crecimiento ascendente y sostenido. Teniendo en cuenta que la dependencia energética del exterior es superior al 80%, cualquier medida de ahorro resultaría muy beneficiosa para el particular propietario del edificio [3]. Este ahorro energético también es beneficioso para el conjunto de la sociedad, ya que el ahorro agregado supone una disminución de la necesidad de fuentes de energía, disminuye la necesidad de importar recursos extranjeros, aumenta la independencia energética de una región, y acerca así la posibilidad de autosuficiencia energética mediante fuentes renovables (solar, eólica, hidráulica, biomasa, etc.). 20/203

21 2.2 Estado del Arte Tradicionalmente, se vienen adoptando diversas soluciones constructivas para distintos climas, con el fin de proporcionar un confort térmico adecuado en el interior de los edificios, con muros de mayor o menor espesor, materiales aislantes, o cámaras de aire más o menos estancas, o con circulación de aire (fachadas ventiladas). Las fachadas ventiladas cuyo flujo de aire está inducido y mantenido por medios artificiales (ventiladores, extractores, etc) se denominan fachadas ventiladas activas. Entre los materiales que se pueden utilizar en la confección de estas fachadas, se encuentran los PCM, o materiales de cambio de fase (Phase Change Material), cuya virtud reside en aumentar la inercia térmica de la fachada, reteniendo el calor en ella, bien para evitar que entre al interior del edificio, o bien para prolongar el calentamiento del aire de la cámara que lo separa del aislante de la fachada, aumentando así el aislamiento térmico del conjunto. Adicionalmente, el empleo de PCM retarda y limita la máxima temperatura que se alcanza en la fachada, mejorando de este modo la estabilidad térmica. En [9] se describen los trabajos realizados en el año 2010 para evaluar experimentalmente el comportamiento térmico de la fachada ventilada utilizada en este Trabajo, mediante ensayos reales en un prototipo en el Laboratorio de Control de la Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco, situado en Vitoria-Gasteiz, mediante una celda PASLINK. En dicho estudio, se compara su comportamiento con otros diseños tradicionales de fachada, y se concluye que esta fachada tiene mayor inercia térmica y que la eficiencia energética de la misma es función del caudal de aire circulante en la 21/203

22 cámara ventilada, y se indica que se requieren estudios adicionales para caracterizar esta influencia, así como la del uso de PCMs con diferentes temperaturas de fusión y situados a distintas alturas de la fachada. El presente Trabajo es en parte un complemento o continuación del trabajo citado en el párrafo anterior, ya que el modelo de fachada simulada es el mismo en cuanto a composición y dimensiones, y se utilizan, entre otros parámetros, distintos caudales de aire para evaluar su influencia en el comportamiento energético de la misma, y distintas dimensiones de la cámara de aire. Adicionalmente, también se modifican los espesores de las hojas que componen la fachada, y se estudia la influencia de sustituir el PCM original por otros de distintas características térmicas, como mayor temperatura de fusión (42ºC frente a los 35ºC ensayados) o mayor capacidad térmica (doble que el RT-35 utilizado). Existen diversos trabajos realizados en este campo de aplicación de los PCMs y las fachadas ventiladas, algunos de los cuales se citan a lo largo de este documento. La principal diferencia entre este Trabajo y los citados documentos es que en aquellos las simulaciones realizadas (si procede) son en condiciones estáticas, mientras que en este documento las simulaciones son en condiciones dinámicas. La importancia de esto radica en que una simulación estática no puede tener en cuenta la característica de inercia térmica de los materiales, y una de las principales funciones del PCM en la composición de la fachada, como se ha comentado anteriormente, es aportar o aumentar la inercia térmica del conjunto. Para la realización de este trabajo, se ha utilizado un software de mecánica de fluidos computacional (CFD) denominado STAR-CCM+, en su versión 8.06, del fabricante CD-Adapco, afincado en Estados Unidos. 22/203

23 Mediante este software, se ha confeccionado un modelo de fachada, y ha sido validado con datos experimentales existentes. Posteriormente se ha utilizado el modelo validado para realizar variaciones en el diseño de la fachada y verificar los efectos de dichas variaciones sobre el comportamiento térmico del conjunto, con el objetivo de identificar los parámetros cuya modificación tiene mayor interés en la optimización de la fachada, con especial énfasis en aquellas medidas que supongan mayores mejoras con menores costes de implementación. Estos resultados se pueden aplicar tanto a edificios de nueva construcción, desde la fase de diseño, como a edificios existentes, mediante rehabilitación de las fachadas, implicando grandes mejorías térmicas y económicas a sus ocupantes. Sin embargo, las condiciones climáticas de verano y de invierno suponen un comportamiento distinto de una fachada, de forma que si bien un diseño de fachada concreto puede ser muy beneficioso en verano, también puede requerir grandes consumos de calefacción en invierno, y a la inversa. Esto es debido a que es muy alta la influencia de la temperatura y sus variaciones en el comportamiento del PCM, que si no llega a alcanzar su temperatura de fusión, se comporta únicamente como un material más, con capacidades aislantes variables en función del compuesto elegido. Por ello, es necesario realizar un estudio para condiciones de verano, y otro análogo para condiciones de invierno, siendo un compromiso entre ambos el que determine el mejor diseño para una localización concreta. El presente Trabajo únicamente contempla un clima de verano. En la actualidad se estudian y aplican distintas técnicas para incorporar materiales de cambio de fase en la construcción de fachadas, variando generalmente en la forma de contenerlo o encapsularlo. 23/203

24 El PCM debe estar contenido en un espacio cerrado porque parte de su comportamiento supone un cambio de fase, de sólido a líquido, y si no estuviera encapsulado, al fundirse se perdería entre los orificios o poros del resto de materiales de la fachada. Existe en el mercado una limitada variedad de materiales y encapsulaciones. Uno de ellos es la parafina microencapsulada, en la cual la parafina está confinada en pequeñas bolitas micrométricas poliméricas, que pueden incorporarse dispersas entre el cemento o enlucidos, o en otros materiales, lo que hace su aplicación extremadamente fácil, con poca o ninguna diferencia respecto a los métodos constructivos tradicionales. El macroencapsulado implica que hay mayores cantidades de material encerradas en cápsulas de mayor tamaño y de diversas formas. Esto supone una dificultad adicional en la confección de las fachadas, pero permite incorporar una mayor cantidad de material y una mejor distribución del mismo en el diseño de la fachada. La fachada objeto de este Trabajo contiene el PCM macroencapsulado en perfiles de aluminio comercial, como se describirá más adelante. A lo largo de este texto, se describirán las técnicas utilizadas y se expondrán los resultados obtenidos, junto con una interpretación de los mismos y sus correspondientes conclusiones. Se adjunta finalmente una bibliografía de los textos consultados y referenciados, y anexos conteniendo toda aquella información que por claridad o facilidad de lectura no se ha incluido entre el texto, o cuya consulta sea opcional para comprender el alcance de lo expuesto, como datos numéricos. 24/203

25 CAPÍTULO 3 OBJETO 25/203

27 3 OBJETO La finalidad del presente Trabajo es la de evaluar el comportamiento de diferentes diseños de una fachada ventilada activa que incluye entre sus componentes una capa de PCM (Phase Change Material, material de cambio de fase) como medio para aumentar su inercia térmica. El comportamiento de las fachadas ventiladas depende en gran medida de su diseño. Un diseño concreto puede ser eficiente en un clima determinado, e ineficiente en otro clima, causando mayor gasto de energía en vez de ahorro, lo que no sólo tiene consecuencias económicas y medioambientales, sino que incluso puede llegar a incumplir normativas (CTE, etc) y obligar a costosas reformas para corregir los defectos en caso de no proporcionar el rendimiento térmico y aislamiento requeridos por las legislaciones vigentes ( obras para cumplir con los requerimientos legales, como el Código Técnico de la Edificación). La fachada ventilada analizada en el presente Trabajo incluye como componente destacable un PCM en su hoja exterior, que al aportar una mayor inercia térmica a la misma, reduce los flujos de calor desde la hoja exterior al resto de la fachada, modulándolos para que se produzcan en los momentos más favorables para el confort térmico del interior del edificio. Este efecto se consigue únicamente si las propiedades del PCM seleccionado son las adecuadas para el clima en el que se va a instalar, y si el diseño del resto de la fachada (espesores de hojas, cantidad de PCM utilizado, etc) son también adecuadas al clima. En caso contrario, se puede llegar a obtener un resultado peor que una fachada ventilada convencional o incluso que el de una fachada convencional sin ventilar. Aquí radica la justificación de este trabajo. 27/203

28 Mediante la creación de modelos de diferentes diseños de fachadas, se realizan simulaciones dinámicas en condiciones ambientales realistas, y se evalúa el rendimiento térmico de cada modificación, para compararlo con el resto de variaciones y optimizar el diseño de la fachada para un clima concreto. Para realizar este estudio se ha partido de ensayos realizados sobre un prototipo construido en el Laboratorio de Certificación de la Calidad en Edificación del Gobierno Vasco, en Vitoria-Gastez (LCCE), realizados por el grupo ENEDI (Energética en Edificación) de la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea, al que pertenecen los directores de este Trabajo. 3.1 Descripción de la fachada ventilada Una fachada ventilada es aquella que de forma genérica está formada por una hoja exterior, un espacio libre en el que hay aire (cámara de aire), y una o varias hojas interiores. La hoja exterior puede ser estanca, presentar una cierta permeabilidad, o presentar aberturas definidas. La hoja interior suele contar con aislamientos, y tener a su vez diferentes diseños, en función del clima y el presupuesto disponible, pudiendo ser simple o formada por varias capas de distintos materiales, como aislantes, cerámicos, barreras de vapor, etc., todo ello siempre dentro del marco del Código Técnico de la Edificación y demás normativas vigentes. La cámara de aire está abierta al exterior por la zona inferior y por la zona superior, de manera que hay una corriente de aire convectiva desde la zona inferior a la superior, debido al gradiente térmico que se genera de abajo hacia arriba en la fachada. 28/203

29 Además, en algunos diseños de fachadas ventiladas, el aire dispone de una cierta libertad para desplazarse hacia y desde el exterior de forma perpendicular a las mismas, a través de aberturas en toda la superficie de la hoja exterior, destinadas a tal efecto. La circulación del aire puede, a su vez, ser natural, causada por los vientos que afectan a la hoja exterior de la fachada o el edificio, por las variaciones térmicas (convección),o forzada por medios mecánicos, como ventiladores. A continuación se describen las hojas que forman la fachada de este estudio: La fachada presenta una superficie exterior de 2,7x2,7 m2. La hoja exterior de la fachada contiene el PCM, y está formada por perfiles de aluminio comercial, de sección rectangular, de la empresa Alustock S.L. (referencia ) [22] (ver Figura 33, página 191, y Figura 39, página 196) dentro de los cuales está encapsulado el PCM. Estos perfiles se instalan de forma que el eje principal queda horizontal. La unión de distintos perfiles en sentido vertical se realiza mediante uniones diseñadas para tal fin, del mismo fabricante (referencia ). La superficie exterior de esta hoja está pintada de gris oscuro, casi negro, para maximizar la absorción de la radiación solar. La superficie interior de esta hoja está dotada de unas pequeñas aletas, para mejorar la transferencia de calor al aire. El PCM ocupa el espacio dentro de los perfiles, de forma que queda encapsulado en pequeñas cantidades, y queda contenido al fundirse. 29/203

30 El espesor total de esta capa es de 20 mm, y la cantidad total de PCM contenido en la misma es de 40 kg. Figura 1: Esquema de la fachada analizada. Fuente: ENEDI. La segunda capa es la cámara de aire, que permite su circulación. Tiene una abertura en su parte inferior, por la que entra el aire del exterior, y otra abertura por su parte superior, por donde el aire es extraído por medios mecánicos, ya que la ventilación en esta fachada es forzada. Tiene un espesor de 60 mm. 30/203

31 La tercera capa está compuesta de poliestireno extruido (XPS), formada por un producto comercial denominado Styrodour, de BASF Corporation. Es un material aislante, con una baja conductividad térmica (0,035 W/(m K)), y con un espesor de 50 mm. La cuarta capa está formada por fábrica de ladrillo unido por cemento portland, con un espesor de 70 mm. La quinta y última capa corresponde al enlucido de yeso de 2 mm de espesor, que está en contacto con el interior del edificio. Figura 2: Representación de la fachada ventilada. Fuente: ENEDI. 31/203

32 3.2 Descripción del PCM Se denominan Materiales de Cambio de Fase a los materiales que se emplean para almacenar energía térmica mediante una transformación de fase sólido-líquido, y viceversa. Se conocen habitualmente por el acrónimo PCM, proveniente de sus descriptores en inglés, Phase Change Materials. De esta forma, el material absorbe calor cuando pasa de estado sólido al líquido al aumentar su temperatura, y lo devuelve cuando pasa de estado líquido a sólido, al bajar su temperatura. El proceso de cambio de fase puede ser isotermo, o como en el caso del material utilizado en este trabajo, presentar un pequeño rango de temperaturas. En el caso de esta fachada, el PCM utilizado es el RT35 de Rubitherm. De acuerdo a las especificaciones suministradas por el fabricante [43], es un compuesto parafínico químicamente inerte, respetuoso con el medio ambiente, y de una vida útil virtualmente ilimitada. Tiene un rango de temperaturas para su cambio de fase de 29ºC a 36ºC (302,15 K a 309,15 K), y una capacidad de almacenamiento de 170 kj/kg. Su densidad en estado sólido es de 0,85 kg/l (a 15ºC), y en estado líquido es de 0,77 kg/l (a 45ºC). Su conductividad térmica es de 0,2 W/(m K) en ambos estados, y presenta una expansión volumétrica del 12,5% al fundirse. Por esto último, los perfiles de aluminio de la fachada se llenan con el PCM en estado líquido (fundido), como puede verse en la Figura 39, en el anexo 14.3 Fotografías (página 196). 32/203

33 CAPÍTULO 4 MEDIOS EMPLEADOS 33/203

35 4 MEDIOS EMPLEADOS 4.1 La celda PASLINK Descripción Tal y como se cita en [14] y en [17], donde se puede obtener información con más detalle, la célula de ensayos PASLINK del LCCE es un dispositivo cuya finalidad es la realización de ensayos orientados a obtener las características térmicas de fachadas. Básicamente es un calorímetro de dimensiones de 8 x 2,8 x 2,8 m 3 y está compuesta de dos habitaciones, una de ensayos, con un fuerte aislamiento térmico en todas sus paredes excepto la orientada al Sur, donde se sitúa la fachada a ensayar, y otra de servicios, donde se instalan los equipos de recopilación de datos y un equipo de climatización cuya misión es controlar el ambiente de la habitación de ensayos. Estas células son la materialización en 1994 de la evolución de un proyecto europeo anterior denominado PASSYS, que tenía el objetivo de diseñar un procedimiento estandarizado para caracterizar componentes utilizados en edificación bajo condiciones reales (en el exterior), enfatizando en cambiar del estudio estacionario tradicional a métodos dinámicos, con menores duraciones de ensayo y resultados más precisos y mejorados [6]. Para cumplir su función, la célula PASLINK cuenta en su interior con sensores de temperatura de aire y superficial y control de infiltraciones de aire, y en el exterior se monitoriza el clima mediante sensores de radiación solar (directa horizontal y vertical y horizontal difusa), temperatura del aire, humedad relativa, velocidad y dirección del viento, y radiación de onda larga. 35/203

36 Figura 3: Esquema de celda PASSYS. Fuente: ENEDI. Figura 4: Fotografía de las dos celdas PASLINK del LCCE. Fuente: ENEDI. 36/203

37 Figura 5: Celda PASLINK con extractores de aire. Fuente: ENEDI Funcionamiento La sala de ensayos es básicamente un calorímetro que permite medir con alta precisión los flujos de calor que se intercambian a y desde la misma, diferenciando los que se producen a través del elemento que se está ensayando (prototipo de fachada) de los producidos a través de las paredes de la celda. 37/203

38 Dispone de una colección de sensores que controlan las variables ambientales interiores y exteriores, (flujos de calor y de aire, temperaturas en distintos puntos, etc), cuyas lecturas son registradas a intervalos de tiempo determinados para su posterior análisis. La fachada también cuenta con sensores integrados. Figura 6: Detalle de los sensores integrados en la fachada prototipo. Fuente: ENEDI. Estos sensores son calibrados antes y después de cada ensayo para garantizar la validez de las lecturas realizadas. Durante la duración del test (varios días de forma ininterrumpida), la celda, situada al aire libre, es sometida a radiación solar, vientos, cambios de temperatura, lluvia, etc, de forma que la fachada ensayada soporta las mismas condiciones que en un edificio real. 38/203

39 4.1.3 Procesamiento de los datos obtenidos La duración estándar de los ensayos es de 21 días. Tras finalizar, se realiza un análisis estadístico de las lecturas, y en función de los objetivos buscados, se obtienen parámetros simples, como valores medios de transmitancia térmica, o se realizan validaciones de modelos más complejos, utilizados en simulaciones para evaluar el comportamiento de la fachada en distintas situaciones climáticas, como es el caso de este Trabajo. No se profundiza más en este aspecto porque en este Trabajo sólo se utilizan los resultados de ensayos realizados previamente y no pertenece al ámbito del mismo; se ha hecho una descripción somera para que pueda entenderse mejor la importancia de los datos utilizados como resultados experimentales. 4.2 Necesidad de la Mecánica de Fluidos Computacional Un enfoque tradicional del cálculo de comportamiento térmico de materiales es evaluar su resistencia térmica sometiéndolos a una diferencia de temperaturas y analizando el flujo de calor producido a su través. Este enfoque es válido para elementos que han de soportar temperaturas con pocas variaciones, como aislantes para hornos o cámaras frigoríficas. Sin embargo, la fachada de un edificio se ve sometida a una gran variedad de combinaciones de temperaturas interior y exterior, y de evolución de las mismas con el paso de las horas. Esto no sería inconveniente para esta forma de análisis, si no fuera porque los materiales de construcción, al igual que el resto de materiales reales, tienen capacidad para almacenar energía, y la cantidad de energía almacenada por una 39/203

40 masa en una fachada tiene una influencia importante en su comportamiento frente a cambios en las temperaturas de los materiales exteriores en contacto con sus superficies (aire, forjados, etc). Esto es la inercia térmica. Por ejemplo, partiendo de una situación de equilibrio entre el aire exterior a una temperatura dada, y el interior a otra temperatura más baja, se establece un flujo de calor en el sentido descendente del gradiente térmico, hacia el interior, constante en estas condiciones. Si la temperatura del aire exterior desciende, conservándose mayor que la del aire interior, la fachada queda a una temperatura superior a la del aire exterior, y también a la del aire interior. Si se considera esta nueva situación como un equilibrio, sin tener en cuenta su pasado, se llega a la conclusión de que existe únicamente un flujo de calor, análogo al primero, desde el aire exterior hacia el recinto interior. Sin embargo, en ese momento, el flujo de calor que antes era unidireccional, desde el exterior hacia el interior del edificio, ahora se convierte en un flujo de calor desde el interior del cuerpo de la fachada hacia el exterior del edificio por un lado, y hacia el recinto interior por otro. Si las nuevas condiciones de temperatura se mantienen suficiente tiempo, se alcanzara un equilibrio en las condiciones del primer caso, pero el clima real no permite que esto suceda. Visto que los cálculos estáticos presentan importantes inconvenientes a la hora de evaluar elementos sometidos a condiciones de clima real, la opción natural es realizar cálculos dinámicos, que tengan en cuenta las variaciones del clima con el tiempo. 40/203

41 Si bien éstos podrían realizarse de forma más o menos manual, la dificultad de su realización crece de forma extraordinaria para un sólo cambio de condiciones, puesto que habría que tener en cuenta no sólo las nuevas temperaturas, sino también la temperatura en diferentes secciones de la fachada estudiada, tantas más como precisión se quiera conseguir. La realización de estos cálculos para una fachada real, sin excesivas idealizaciones, y para un periodo de tiempo significativo, es inviable. Además, hay que añadir los efectos de que a diferentes alturas de una fachada como la estudiada en este Trabajo, las temperaturas tampoco son iguales en una misma sección, debido, entre otras causas, a la circulación de aire por la cámara ventilada, que entra a la temperatura del exterior, y al recorrerla en sentido ascendente, transporta e intercambia energía en forma de calor, con la hojas de la fachada con las que tiene contacto, aumentando su temperatura. De esta forma, nunca se llega a alcanzar un estado de equilibrio. Es por esto por lo que se utiliza software CFD. Este tipo de software utiliza métodos de elementos finitos para dividir el sistema formado por la fachada en pequeñas porciones espaciales, y para cada una resuelve las ecuaciones del transporte en su forma linearizada, según su material y condiciones asignadas. Los cálculos de un simple intervalo de tiempo (timestep) pueden implicar la resolución de varios cientos de miles de ecuaciones. En el presente Trabajo, se han simulado tres días en intervalos de una hora, es decir, 72 pasos. Sin utilizar este tipo de software, esta tarea habría sido sencillamente imposible. 41/203

42 El software utilizado en este Trabajo es STAR-CCM+, del fabricante CD-Adapco, en su versión , y los cálculos se han realizado mediante el Servicio General de Informática Aplicada a la Investigación (SGIker) de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea. 42/203

43 CAPÍTULO 5 FUNDAMENTO TEÓRICO 43/203

45 5 FUNDAMENTO TEÓRICO Existen numerosas obras que detallan en profundidad todos los aspectos relevantes del cálculo CFD, por lo cual no se pretende en este capítulo realizar un análisis en profundidad de los mismos, sino que, se hará una descripción somera de los conceptos más representativos. Asimismo, no se entrará en la explicación del fundamento teórico de los distintos modelos físicos que se han aplicado, ya que una explicación completa excede el objetivo de este Trabajo, y una simple enumeración de las fórmulas aplicadas serviría para poco más que para ocupar espacio con una reproducción de información que puede encontrarse en el manual del programa. Una gran introducción a este tipo de simulaciones aplicadas a edificios se puede consultar en la guía de procedimientos de simulación de ATECYR [5]. 5.1 Fenómenos físicos En la fachada objeto de este Trabajo, el principal fenómeno físico a considerar es la trasferencia de calor, debida a las diferentes temperaturas de las masas de aire y de la acción de la radiación solar. Así, la superficie exterior de la fachada intercambia calor por convección con el aire exterior, por conducción en su interior, y por radiación, absorbiendo radiación por su exposición al sol y al cielo, y absorbiendo y emitiendo radiación IR (onda larga) desde y hacia el entorno en que se encuentra. 45/203

46 La hoja interior de la fachada intercambia calor por convección con el aire del interior, y al no estar expuesta a la acción del sol, no recibe energía por radiación. La radiación de onda larga puede despreciarse, debido a que las temperaturas de la cara interior de la fachada y de los objetos y elementos del interior del edificio son tan parecidas que pueden considerarse iguales. Estrictamente hablando, no hay transferencia de masa, puesto que la fachada no absorbe aire ni ninguno de sus componentes (humedad), ni cede tampoco materia alguna al flujo de aire que discurre por la cámara de aire. Tampoco lo hace con las masas de aire exterior e interior. Sin embargo, sí se produce circulación de aire, por lo que se puede considerar que la capa correspondiente es un sistema abierto, que intercambia energía y masa con su entorno Transmisión de calor Por definición, el calor es energía en tránsito. La transmisión de calor se produce siempre que hay un gradiente de temperaturas. En una fachada, la temperatura del aire exterior y la del interior no son iguales, así como la de los distintos materiales que la componen, debido a las continuas variaciones causadas por agentes externos (insolación, viento, ocupación interior, etc). La fachada intercambia energía con las masas de aire exterior e interior, así como con el aire que circula por la cámara ventilada. Este intercambio de calor se produce principalmente por convección. Las capas sólidas de la fachada transfieren energía en forma de calor entre ellas e interiormente, mediante el mecanismo de conducción. 46/203

47 También recibe calor por radiación proveniente del Sol, y lo cede igualmente por radiación al descender la temperatura. Se describen a continuación las formas de transferencia de calor, sin pretender ser un tratado exhaustivo, no es el objetivo de este Trabajo. Se puede profundizar en [2] y en [21] y en otras muchas obras disponibles Conducción La transmisión de calor por conducción se produce entre materiales que se encuentran en contacto directo. Los átomos de los materiales se mueven en función de su estado energético, de forma que a mayor temperatura, mayor tendencia a moverse muestran. Los átomos de los gases se encuentran libres, por lo que pueden desplazarse por el espacio, chocando con otros átomos del mismo gas, y con las paredes del recipiente que los contiene si están confinados. Los átomos de los líquidos tienen la misma tendencia, pero se encuentran limitados en sus movimientos, por las interacciones entre ellos que intentan mantenerlos unidos. Los átomos de los sólidos están forzados a mantenerse en una posición fija en el espacio, formando parte de una estructura, pero dentro de esa limitación, vibran con mayor fuerza cuanto mayor es su temperatura. Cuando dos átomos están suficientemente cerca, la vibración de uno con mayor estado energético (temperatura) afecta al de menor energía, transmitiéndole parte de ésta y haciéndole vibrar con mayor intensidad. Se produce así una transmisión de calor. 47/203

48 La transmisión de calor por conducción se produce en las capas sólidas (ladrillo, aluminio, enlucido, aislante), tanto en su interior, como entre una capa y la adyacente en contacto. El mecanismo de transmisión de calor por conducción consiste en que La relación existente entre el flujo de calor por conducción a través de una superficie isotérmica y el gradiente de temperatura que lo ocasiona se conoce como la Ley de Fourier: dq T = k da x (1) siendo A = área de la superficie isotérmica x = distancia medida en dirección normal a la superficie q = velocidad del flujo de calor a través de la superficie en dirección normal a la misma T = temperatura k = constante de proporcionalidad, conductividad calorífica (propiedad del material) El signo negativo representa el hecho físico de que el flujo de calor se produce de mayor a menor temperatura, de forma que el gradiente tiene signo contrario al flujo de calor. La derivada parcial de T implica que la temperatura puede variar tanto con la localización como con el tiempo. La conducción que tiene lugar con una distribución constante de temperaturas es la conducción en estado estacionario, y en ésta, la temperatura sólo es función de la posición, no del tiempo. Además, la velocidad de transferencia de calor también es constante en cada punto. 48/203

49 En estas condiciones, la ecuación (1) se puede expresar como q dt = k A dx (2) Como en este caso, las únicas variables son x y T, la ecuación (2) se puede integrar, obteniéndose q= ΔT R (3) Donde ΔT es la diferencia de temperaturas entre los extremos de la capa, y R es la resistencia térmica del sólido, y equivale a R= L k A (4) Siendo R Es la resistencia térmica de la capa de material L Es el espesor de la capa de material k Es la Conductividad del material A Es el área a través de la cual se transmite el calor El inverso de la resistencia es la conductancia, y ambos dependen de la conductividad k (propiedad del material) y de las dimensiones del sólido. La conductividad calorífica k es una propiedad de cada material. Es independiente del gradiente de temperaturas, pero no de las temperaturas en sí. Es decir, un mismo material presentará diferente conductividad calorífica a diferentes temperaturas, aunque en general, y para intervalos pequeños de temperatura, puede considerarse constante. En otros casos, la variación puede ser lineal o presentar curvaturas. 49/203

50 En los casos en los que la variación es lineal, se puede utilizar un valor medio para las temperaturas dadas. La fachada está diseñada de forma que tiene varias capas de distintos sólidos en contacto, cada una con sus propiedades térmicas, en serie. De esta manera, el conjunto tendría una resistencia térmica dependiente de las resistencias de cada capa. Utilizando la ecuación (3) y teniendo en cuenta que la diferencia de temperaturas entre los extremos del conjunto es la suma de las diferencias de temperatura en cada capa, y que el flujo de calor que atraviesa cada capa es igual para todas ellas, se obtiene que R T = R i i (5) Es decir, la resistencia térmica del conjunto equivale a la suma de las resistencias térmicas de cada una de las capas. En estado estacionario, la ecuación (2) puede escribirse como dt = q dx ka (6) que integrando se transforma en T 1 T 2 q ΔT =k =k A x 2 x 1 B Donde x2 x1 = B es el espesor de la capa de material. 50/203 (7)

51 T1 T2 = ΔT es la caída de temperatura a través de la capa de material. Si se agrupan las características del material y geométricas del caso analizado, se puede escribir la ecuación q= ΔT R (8) Donde R es la resistencia térmica del sólido entre los puntos 1 y 2. Esta resistencia depende de las propiedades del material y de las dimensiones del sólido a considerar. Aplicando la ecuación (8) a las capas de la fachada y sumándolas, teniendo en cuenta que el flujo de calor es el mismo para todas ellas, se obtiene que ΔT Δ T A Δ T B Δ T C = = = R RA RB RC (9) Siendo A, B, y C las capas sólidas en contacto directo de la fachada (análogamente con el resto de capas). Esto permite calcular las temperaturas en cada punto de las mismas. Es evidente que la temperatura del interior del edificio tiene influencia en el calor transmitido a través del muro, ya que es su diferencia de temperatura con el aire del exterior la que crea el gradiente térmico a través del mismo. En el presente trabajo se ha considerado una temperatura constante, y también un coeficiente de convección constante, dado que el objetivo no es la predicción precisa de temperaturas alcanzadas en el interior del edificio, sino la comparación del comportamiento de diferentes diseños de fachadas. 51/203

52 Convección El principal método de transmisión de calor en fluidos es la convección. En esta fachada ventilada, el intercambio de calor por convección se produce en el aire de la cámara. También se produce en el PCM cuando está en estado líquido, pero al estar encapsulado en pequeñas cantidades, este fenómeno es despreciable, como se comentará posteriormente. Ésta se produce a nivel microscópico por el desplazamiento de átomos y moléculas que al tener mayor estado energético, tienen mayor movilidad, y mayor facilidad para el desplazamiento. También se produce a nivel macroscópico cuando se desplazan masas de fluidos de manera forzada, o cuando se mezclan fluidos a distinta temperatura. Se puede clasificar en dos tipos, convección natural y convección forzada. La convección natural se da cuando en un fluido en reposo, una parte del mismo aumenta su temperatura por encima de la del fluido que le rodea. Esta variación de temperatura ocasiona una variación en su volumen (dilatación o contracción), que implica una variación en su densidad. Si su densidad disminuye (generalmente al dilatarse como consecuencia de un aumento de temperatura, aunque hay materiales con comportamientos distintos y variados, como el agua), el fluido tiende a elevarse, y con él se lleva el calor que ha causado su variación de densidad, que va cediendo al contacto con el fluido más frío. Por esto último, la transmisión de calor por convección tiene también una componente de conducción, ya comentada. 52/203

53 En la convección forzada, el fluido es obligado a moverse, mezclando las partes frías y calientes del mismo como consecuencia del movimiento. Éste puede estar causado por el efecto de bombas, ventiladores, mezcladores, mezcla de flujos en tuberías, turbulencias, etc. La transferencia de calor por convección entre la superficie de un sólido y un fluido se expresa de forma matemática según la Ley de enfriamiento de Newton, que es la siguiente: dq =h As (T s T 0 ) dt (10) Donde h As Ts T0 Es el coeficiente de convección o de película [W/(m 2 K)] Es la superficie de contacto entre el sólido y el fluido [m 2]. Es la temperatura superficial del sólido [K] Es la temperatura del fluido que no está afectado por el intercambio. También se conoce como T o temperatura infinito. [K] El coeficiente de convección depende de diversos factores, como las características térmicas del fluido, su viscosidad, temperatura, régimen de movimiento (número de Reynolds), de las características de la pared sólida con la que intercambia calor (rugosidad, orientación respecto al movimiento del fluido, etc) Radiación La transmisión de calor por radiación se produce entre dos materiales a distinta temperatura, sin que sea necesario el concurso de un medio físico entre ellos (puede ser el vacío). 53/203

54 Todo cuerpo, por el hecho de tener una temperatura superior al cero absoluto (0 K) emite energía en forma de radiación electromagnética, cuya intensidad y longitud de onda varía en función de la temperatura que tenga el cuerpo, desde el infrarrojo al ultravioleta (incluyendo, por tanto, las longitudes de onda visibles al ojo humano). Este hecho se puede comprobar cuando una barra de metal se calienta hasta que se pone al rojo, por ejemplo. De la misma manera, un cuerpo absorbe parte de la radiación electromagnética que le llega. La fracción de energía que un cuerpo emite o absorbe es propiedad del material. Un cuerpo que emite radiación equivalente a su temperatura se conoce como cuerpo negro. Un cuerpo que no absorbe radiación, o lo hace en una proporción extremadamente baja, se conoce como cuerpo transparente. La radiación que emite un cuerpo negro se describe con la Ley de Stefan-Boltzman q=σ T 4 (11) Donde q es el calor radiado en la unidad de tiempo (W/m 2) y σ es la constante de Stefan-Boltzmann, que equivale a W/(m2K4). Si dos cuerpos negros a diferentes temperaturas se enfrentan, ambos emitirán calor en forma de radiación hacia el otro, y a su vez, ambos absorberán el calor emitido por el otro. En este caso, el calor total transferido por radiación entre ambos, será q=σ S (T 14 T 2 4 ) 54/203 (12)

55 Donde q es en W y S es la superficie radiante o radiada en m 2. Consideraciones sobre la superficie que hay que emplear en esta ecuación en diversas configuraciones escapan al objetivo de este apartado, y dependen de las orientaciones, tamaños, etc de cada cuerpo. En general, los cuerpos no se comportan como cuerpos negros, sino que emiten niveles de radiación inferiores a éstos. Se introduce así el concepto de emitancia, ε que toma valores entre 0 y 1 (cuerpo negro). Así, q=ε σ T 4 (13) Es notable la influencia de la cuarta potencia de la temperatura. En el caso de este Trabajo, la transmisión de calor por radiación se produce entre las capas interiores de la cámara de aire, ya que éste se puede considerar transparente a esta radiación. También se produce transmisión de calor por radiación en las capas exterior e interior de la fachada. En la capa exterior, cuando el aire está más frío que la fachada, ésta pierde calor por radiación hacia su entorno. En la capa de enlucido interior ocurre el efecto análogo, pero el intercambio es de mucha menor magnitud. La capa exterior, en las horas diurnas recibe radiación solar, bien de forma directa, bien de forma indirecta, procedente de la refracción de la atmósfera y objetos del entorno. 55/203

56 Para simplificar el modelo, se han considerado los intercambios de energía por radiación de la superficie exterior de la fachada mediante la temperatura Sol-aire, que es una temperatura combinada obtenida a partir de la temperatura del aire exterior y los efectos térmicos que tendría la radiación solar sobre su superficie. Este temperatura es mayor que la temperatura ambiental en las horas diurnas, y es igual cuando hay oscuridad Temperatura Sol-aire En los intercambios de calor en la cara exterior de una fachada se deben a convección, radiación de longitud de onda larga (relacionado con el entorno y el cielo), y radiación de onda corta (debida a la radiación solar directa). La temperatura Sol-aire es una temperatura equivalente del aire que permite simplificar la implicación de estos fenómenos al incluir sus efectos, de forma que se puede considerar únicamente ésta temperatura en los cálculos posteriores sin cometer errores significativos. Hay diversas formulaciones para obtener esta T sol-aire, en función de la precisión que se desea conseguir. Para la finalidad comparativa de este Trabajo, se ha adoptado la siguiente T sol aire =T a + I t αs h cr (14) Siendo Ta la temperatura del aire exterior [K] It la radiación solar que incide en la parte exterior de la fachada, en [W/m 2] αs coeficiente de absorción de la superficie exterior para longitudes de onda corta (entre 0,6 y 0,9, según el color de la superficie). hcr coeficiente de convección-radiación de la capa exterior de la fachada en [W/(m2 K)] 56/203

57 Se puede ampliar información sobre el significado y obtención de forma más exhaustiva en la Guía de Fundamentos de Climatización de ATECYR [4] Variación de la radiación solar a lo largo del año La radiación solar depende de la posición del Sol respecto a la fachada irradiada. Debido a la inclinación del plano de rotación terrestre respecto al plano de traslación alrededor del Sol (plano de la eclíptica), de unos 23,45º, la incidencia de la radiación solar varía a lo largo del año al desplazarse la Tierra en su órbita, dando lugar a las estaciones y a variaciones en la energía recibida por este medio. Así, en el invierno del hemisferio norte (que es cuando la Tierra está más cercana al Sol), el desplazamiento del Sol a través de la esfera celeste es más bajo que en verano, proporcionando menos horas de irradiación, y con un ángulo más cercano al horizonte que en el verano. Análogamente, en el verano boreal el recorrido es más largo y alcanza más altura sobre el horizonte, por lo que la radiación solar recibida es de mayor magnitud. Esto puede comprobarse en la Figura 7, donde se representa el recorrido aparente del Sol en el solsticio de verano (21 de junio) y en el solsticio de invierno (22 de diciembre) (hemisferio Norte). En abscisas se representa el acimut solar, es decir, la desviación en grados de la posición del Sol respecto al Sur, medido sobre un plano horizontal. Valores negativos representan horas previas al mediodía solar, y valores positivos representan horas posteriores al mediodía solar. El valor de -90º representa el Este, y el valor de 90º representa el Oeste. La equivalencia entre grados de acimut y horas se obtiene de que el Sol recorre un arco de 15º cada hora. En ordenadas se representa la altitud en grados alcanzada por el Sol sobre el horizonte. 57/203

58 Figura 7: Recorrido solar en los solsticios en Madrid (Elaboración propia). Adicionalmente, cuanto más bajo es el ángulo del Sol sobre el horizonte, mayor espesor de atmósfera debe atravesar la radiación solar, siendo absorbida en parte por ésta. Cuanto más alto está el Sol en el cielo, más perpendicularmente incide su radiación sobre la atmósfera, teniendo que atravesar un espesor menor y siendo, por tanto, menor la absorción. En la Figura 8 se presenta esquemáticamente la influencia de la inclinación del eje de rotación de la tierra respecto al plano de la eclíptica y su influencia sobre las estaciones climáticas anuales. De todo esto se deduce que tanto la localización en el globo terrestre, como la fecha del año tendrán una gran importancia en la cantidad de radiación solar recibida por una fachada (o cualquier otro elemento, como paneles solares), y por tanto, habrá de tenerse en cuenta. 58/203

59 Figura 8: Inclinación del plano de rotación terrestre (Fuente: Planetario de Pamplona [0]) Radiación solar en los solsticios de verano e invierno Madrid 1200 S. Verano (21 jun) S. Invierno (22 dic) Radiación solar (W/m2) Tiempo (horas) Figura 9: Radiación solar recibida en los solsticios de verano e invierno en Madrid. Elaboración propia a partir de datos climáticos del CTE. 59/203

60 Como muestra, en la Figura 9 se puede observar la diferencia de radiación solar recibida entre el solsticio de verano (21 de junio) y el solsticio de invierno (22 de diciembre) para la villa de Madrid. Obviamente, las condiciones atmosféricas particulares tendrán una influencia decisiva, pero al no ser previsibles, no se tienen en cuenta en el presente documento, y se utilizan datos climáticos normalizados de radiación y temperaturas del aire, que no contabilizan fenómenos como lluvia o viento Intercambio de masa La capa correspondiente a la cámara de aire constituye un sistema abierto, es decir, hay intercambio de masa con el entorno a través de sus fronteras. En el caso de este modelo, la masa se corresponde con el aire atmosférico. El aire atmosférico es una mezcla de gases y vapor de agua, y se modela como un gas ideal, con las propiedades adecuadas para dicha mezcla. Como en este Trabajo la fachada funciona mediante un caudal de aire forzado y fijo, no hay variaciones en el flujo másico en toda la duración considerada, por lo que puede escribirse que m e = m s (15) Es decir, sólo circula por la cámara de aire el caudal másico que ha entrado por su parte inferior. No hay aportaciones desde el interior del habitáculo ni desde los materiales que componen la fachada. De esta forma, la misma masa de aire que entra por la parte inferior de la cámara debe salir por la parte superior. 60/203

61 Lógicamente, al ser un gas que está intercambiando calor con las paredes de la fachada, sufrirá variaciones en su temperatura, y por tanto, en su volumen, por lo que la velocidad de entrada del aire en la cámara puede no ser la misma que la velocidad de salida (flujo volumétrico). En cuanto a la composición del aire atmosférico, no se tienen en cuenta posibles fenómenos de condensación del agua contenida en el aire, que ocasionarían una salida de masa de agua en forma líquida por la abertura inferior de entrada de aire. Se considera únicamente entrada de un gas (aire, como mezcla de gases y vapor de agua) y salida del mismo térmicamente modificado Flujo volumétrico y velocidad 2D La relación entre el caudal másico y el caudal volumétrico que circula por la cámara de aire está relacionada con las dimensiones de la misma. Para la creación del modelo con el que se han realizado las simulaciones de los distintos diseños de fachada, se ha partido de ensayos realizados en un prototipo real. Los resultados obtenidos en dichos ensayos se utilizan para validar el modelo, y así verificar que el comportamiento de la fachada previsto por las simulaciones se ajusta suficientemente a la realidad. De dichos ensayos, se dispone de datos como el caudal volumétrico que ha circulado por la cámara de aire. Como se explicará posteriormente, el modelo se ha configurado de forma que sólo se realizan cálculos en 2D, equivalentes a una sección transversal de la fachada original. De esta forma, hay que trasladar los datos obtenidos en la fachada real en 3D al modelo en 2D. Consecuentemente, una velocidad volumétrica se ha de transformar en una velocidad lineal. Esto se ha realizado de la forma que se expone seguidamente. 61/203

62 En la fachada real, el aire entra por una abertura inferior en la misma, de dimensiones la distancia entre las hojas de la fachada y la longitud de la misma. En la fachada ensayada (célula PASLINK), la distancia entre las hojas que forman la cámara de aire es de 6 cm, y la fachada tiene una longitud de 2,7 m. Por tanto, la superficie a través de la cual entra el aire es de S =d L=0,06 2,7=0,162 m 2 (16) Con este cálculo y la definición de caudal volumétrico, se tiene que Q =S v v= Q S [ m ] s (17) La conversión entre caudal volumétrico y caudal másico se realiza mediante la densidad del aire Número de Reynolds En una fachada ventilada, el aire discurre por un espacio confinado en mayor o menor medida, entre dos capas sólidas de la misma. En tales circunstancias, el flujo de aire se puede asemejar al que se produce en una tubería cerrada, y en función de la velocidad del mismo y de la configuración del interior del hueco (rugosidad, presencia de obstáculos, etc) se pueden crear turbulencias que es importante tener en cuenta, porque tienen gran influencia en la transmisión de calor entre las paredes de la cámara de aire y el mismo aire, y entre partes del mismo. Un parámetro importante en este sentido es el Número de Reynolds. 62/203

63 En el caso de una fachada ventilada, se considera un flujo de aire entre dos placas paralelas de superficie infinita (o suficientemente grande en relación a su separación). En estas condiciones, Re= ρ v D h v D h Q D h μ = ν = ν A (18) Siendo ρ densidad del fluido. Para el aire, ρ = 1,293 kg/m3. v velocidad del fuido [m/s] Dh diámetro hidráulico. En el caso de placas paralelas equivale al doble de la distancia que las separa [m] μ Viscosidad dinámica del fluido [Pa s = (N s)/m 2 = kg/(m s)] Para el aire, μ=1, kg/(m s) ν Viscosidad cinemática del fluido [m2/s]. Para el aire, ν=1, m2/s Q caudal del fluido [m3/s] A sección de paso [m2] Cambios de estado La materia puede presentarse en cuatro estados, que dependen del estado energético de los átomos que la forman. En estado sólido, los átomos están fijos en una posición en el espacio, y relacionados con otros átomos por los distintos tipos de enlaces atómicos, formando estructuras. Éstas estructuras pueden ser ordenadas (estructuras cristalinas) o desordenadas, dependiendo de factores cuyo detalle y explicación escapan al objetivo de este documento. Si el estado energético de los átomos aumenta (absorben energía), los enlaces que mantienen las estructuras se rompen y los átomos y moléculas gozan de una cierta movilidad, aunque siguen estando limitados. Es el estado líquido. 63/203

64 En estado gaseoso, los átomos tienen suficiente energía como para moverse libremente por el espacio, sin más limitación que los choques con otros átomos y moléculas del mismo gas, y con superficies sólidas. El cuarto estado es el estado de plasma, en el que los núcleos atómicos se separan de sus nubes de electrones, y se forma una suerte de sopa gaseosa de núcleos y electrones a altísima temperatura. Una característica importante es que para producirse el cambio entre un estado y otro, ha de producirse una transferencia considerable de energía. Es decir, para que un material pase de estado sólido al estado líquido, ha de absorber una cantidad de energía variable en función del propio material, y mayor que la necesaria para experimentar un incremento de temperatura sin cambio de estado. Como se puede ver en la ecuación (19), el calor latente q es independiente de la temperatura, es decir, el cambio se produce a una determinada temperatura constante (proceso isotermo). Esta temperatura depende del material (λ) y de otras condiciones, como la presión. q=λ (19) El calor latente es mucho mayor que la energía necesaria para aumentar la temperatura del sólido 1ºC (calor sensible), incluso para mayor salto térmico. En el caso del agua, el calor latente es 80 veces el valor del calor sensible. Este calor sensible, según la ecuación (20) depende del material (cp) y del salto térmico (ΔT). q=c p Δ T 64/203 (20)

65 En el cambio de estado de líquido a vapor o gas, ocurre lo mismo, y en el caso del agua, el calor latente de vaporización es unas 540 veces mayor que el calor sensible. Al cambiar a un estado de mayor energía interna (sólido a líquido, líquido a gas, sólido a gas) el material absorbe energía, mientras que al cambiar a un estado de menor energía interna (gas a líquido, líquido a sólido, gas a sólido) el material se desprende de esta energía, cediéndola a su entorno. Esto proporciona la posibilidad de aprovechar los cambios de estado para almacenar energía en forma de calor, con distintas aplicaciones u objetivos. Evidentemente, para cada aplicación habrá que elegir materiales que experimenten un cambio de fase a la temperatura adecuada, y entre las fases adecuadas. Es decir, es más difícil prevenir fugas de materiales en estado gaseoso que en estado líquido o en estado sólido, por lo que en general, es preferible que el cambio de fase sea entre los estados sólido y líquido. Una vez que el material se ha fundido, al estar en estado líquido, puede producirse intercambio de calor por convección en su seno, fenómeno que no se produce en estado sólido. 5.2 Comportamiento Energético del PCM La principal característica de un PCM es su calor latente. Éste permite el almacenamiento de calor con una densidad almacenamiento basado en calor sensible. 65/203 energética mayor que el

66 Este calor latente se absorbe, como es lógico, en el proceso de fusión de un sólido, y se libera en el proceso de solidificación del líquido. En ambos casos, el proceso es idealmente isotermo. Este proceso se ha explicado en el apartado Cambios de estado. Existen diferentes tipos de PCM, en función de su composición. Estas diferencias de composición implican también diferentes comportamientos térmicos, y por tanto, diferentes aplicaciones para cada familia [16]: Sales inorgánicas mezcladas con agua para bajas temperaturas, inferiores a 0ºC y hasta -20 ºC (mezclas eutécticas), útiles para aplicaciones criogénicas. Sales hidratadas para temperaturas medias como climatización o usos domésticos. Entre 0ºC y 50ºC. Parafinas para temperaturas medias y altas, climatización y acumulación. Entre 0ºC y 150ºC. Otros compuestos orgánicos y algunos inorgánicos pueden utilizarse para temperaturas entre 50ºC y 150ºC. Sales inorgánicas y metales, para muy altas temperaturas, mayores de 200ºC. Se utilizan para aplicaciones industriales o acumulación en centrales solares térmicas. El PCM utilizado en esta fachada es de tipo parafínico, y tiene un rango de temperaturas de cambio de fase de 29ºC a 36ºC. El motivo de que el cambio de fase se produzca en un intervalo de temperaturas, en vez de en una temperatura única es debido al fenómeno del subenfriamiento. 66/203

67 Éste consiste en que cuando un líquido baja su temperatura y se aproxima a su temperatura de fusión, debe crear pequeños núcleos sólidos en torno a los cuales pueda crecer la cristalización del material. A temperaturas cercanas a la de fusión, estos núcleos son inestables y no pueden cumplir su función de sembrado de la solidificación. No es hasta que la temperatura desciende por debajo de la de solidificación que los núcleos se vuelven más estables y sostienen la solidificación. Este intervalo de temperatura por debajo de la de fusión necesario para sostener la solidificación es variable en función del material, pudiendo variar desde unos pocos grados hasta centenas. En el caso de la fusión no se produce este fenómeno, y la fusión se produce a una temperatura fija. Una consecuencia de la existencia de este intervalo de temperaturas de solidificación es que durante el proceso de solidificación conviven una fase sólida y una líquida. Si la fase que ya se ha solidificado sigue cediendo calor, bajará progresivamente su temperatura en forma de calor sensible. La fase líquida que no ha alcanzado su temperatura de solidificación, también bajará su temperatura cediendo calor sensible, mientras que únicamente en las porciones de materia que están cambiando de fase se mantendrá constante la temperatura y se intercambiará calor latente. En conjunto, se estarán produciendo intercambios de calor en ambas formas, calor sensible y calor latente, por lo que un análisis numérico del fenómeno debería tenerlo en cuenta consecuentemente. 67/203

68 5.2.1 Cp ensayado El PCM utilizado en esta fachada se ha ensayado en el Laboratorio de Investigación de Ciencia de Materiales de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Minas y Obras Públicas de la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea UPV/EHU, y se han obtenido sus características térmicas experimentalmente por parte del Grupo ENEDI, que ha proporcionado los resultados. En estos ensayos se ha obtenido un calor específico equivalente para un rango de temperaturas. Este calor específico equivalente es ficticio, ya que engloba : 1. El calor específico del sólido en un intervalo de temperaturas desde la temperatura inferior del rango considerado, hasta la temperatura de fusión. 2. El calor latente de fusión. 3. El calor específico del líquido desde la temperatura de fusión hasta la máxima temperatura del rango definido. Este parámetro es un artificio, pero resulta muy útil para simplificar el cálculo a través de la técnica CFD. Este cp agrupa en una única magnitud los fenómenos correspondientes al calor sensible y al calor latente, mencionados en el apartado anterior. Esto es posible debido a que la evolución de fracciones sólida y líquida en el rango de cambio de fase es predecible y constante. En las simulaciones de este Trabajo se han utilizado estos datos ensayados, como se detallará más adelante. De todos los datos disponibles, se han seleccionado y utilizado los puntos mas representativos del comportamiento del PCM, y pueden observarse en el anexo , página 197 (Figura 40 y Tabla 3). 68/203

69 5.3 Aplicación de la CFD La mecánica de fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD) es la disciplina que utiliza métodos informáticos para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes en el análisis de sistemas relacionados con movimiento de fluidos y su interacción con superficies de sólidos, como álabes, tuberías, etc. Su principal creador es Suhas V. Patankar, ingeniero indio nacido en 1941 y doctor por el Imperial College, University of London, en 1967, que escribió en 1980 una obra considerada el fundamento de la mecánica de fluidos computacional [19]. El uso del CFD está muy extendido en áreas como la aeronáutica, ingeniería marina (tanto en el diseño de barcos y sus partes como en el análisis del comportamiento de estructuras portuarias frente a corrientes marinas, mareas, desembocaduras y sedimentaciones, etc), diseño de motores, quemadores, parques eólicos, sistemas de ventilación y climatización, automóviles (aerodinámica), etc. Por su propia naturaleza matemática, esto es sólo posible realizarlo mediante ordenadores y software apropiado, como el utilizado en este Trabajo (STAR-CCM+) Software CFD Existen diferentes alternativas de software en el campo de CFD. Todos los fabricantes dicen tener el producto lider en el mercado, y se diferencian en la forma de proporcionar los datos al programa por parte del usuario. Adicionalmente, algunos proporcionan herramientas integradas para generar geometrías y mallados, mientras otros las proporcionan por separado. Incluso hay fabricantes que únicamente se centran en una de estas áreas, de forma que hay códigos que únicamente generan mallados, como por ejemplo Gmsh [33], engrid [31], Netgen [40], Discretizer[26] o snappyhexmesh [38]. 69/203

70 Entre los códigos CFD propiamente dichos, destacan OpenFOAM [41], SU2 [46], ISAAC [36], OpenFVM [42], Clawpack [24], o los comerciales STAR-CCM+ [45] o Ansys FLUENT [23]. Evidentemente, existe una gran variedad, y no se pretende hacer aquí un listado exhaustivo. Se da preferencia a los códigos libres, y se nombran los dos comerciales únicamente porque se ha decidido realizar este trabajo utilizando uno de ellos, y no se desea citar únicamente éste CFD. Bases de funcionamiento La mecánica de fluidos computacional tiene por objetivo resolver las ecuaciones de transporte para geometrías complicadas y fenómenos de transporte de masa y energía. Para poder hacerlo, se linearizan las ecuaciones de Navier-Stokes o ecuaciones de Transporte o conservación, particularizándolas para cada celda, formando así un sistema de ecuaciones lineales en el cual las incógnitas de una celda son variables de la adyacente, hasta llegar a la frontera del sistema, donde se ajustan las condiciones de contorno y puede así darse solución al sistema. Como es un método aproximado, esta resolución debe repetirse cierto número de veces para todas las celdas, ajustando progresivamente los resultados hasta que el valor del error acumulado en todas las celdas es inferior a un valor asignado. Como se ha comentado, las celdas pueden tener distintos tamaños y formas, lo que influye de forma directa en la precisión de los cálculos que se llevan a cabo con ellas. Así, en principio, cuanto más pequeñas sean las celdas, mayor precisión tendrá el sistema, aunque requerirá mayor potencia de cálculo (memoria y procesador, almacenamiento de datos). Igualmente, la forma de las celdas también tiene influencia, siendo las más semejantes a un cubo las que mejor precisión aportan. 70/203

71 5.3.3 CFD. Distintas estrategias de cálculo Existen diversas aproximaciones a la resolución de las ecuaciones diferenciales parciales de la mecánica de fluidos. Estos métodos están pensados para utilizarse en ordenadores, ya que su utilización manual es impracticable en un caso real. En el método de volúmenes finitos, el dominio se subdivide en pequeños volúmenes de control que corresponden a las celdas de una malla tridimensional. En cada una de estas celdas se resuelven las ecuaciones de transporte de los modelos físicos, en sus versiones discretizadas (derivadas), de forma que se obtiene un sistema de ecuaciones algebraicas que se resuelven de forma iterativa hasta que los errores cometidos son menores que un valor especificado. Diversos métodos matemáticos de discretización se pueden consultar en detalle en [19], en [8] y en [1] Simulación estacionaria y simulación transitoria Las afirmaciones de los apartados siguientes no pretenden ser de aplicación global, sino que están en mayor o menor medida particularizados para el ámbito del presente Trabajo. Se tratará de establecer las características principales de estas dos formas de simulación, y justificar la elección realizada Definiciones Se entiende por simulación estacionaria aquella en la que los valores de las magnitudes físicas consideradas en un punto del espacio permanecen constantes. Se entiende por simulación transitoria o dinámica aquella en la que los valores de las magnitudes físicas consideradas en un punto del espacio pueden no permanecer constantes en el tiempo. 71/203

72 Simulación estacionaria Para el caso objeto de este Trabajo, en una simulación estacionaria, se consideran las características térmicas de los materiales de cada capa de la fachada, y se aplican como condiciones de contorno una temperatura del aire exterior, y una temperatura del aire interior. De esta forma, se puede calcular una resistencia térmica global y única de la fachada, y con ésta y con las temperaturas de contorno, obtener los flujos de calor que la atraviesa mediante cálculos sencillos. La ventaja de esta modalidad consiste en su extrema simplicidad, ya que no son necesarios más que unos rápidos cálculos para obtener la magnitud del calor intercambiado, y una idea de la capacidad de aislamiento de la fachada. Sin embargo, esta no es la forma correcta de evaluar una fachada Simulación transitoria o dinámica Para considerar las posibles variaciones de las magnitudes físicas en cada punto del espacio a lo largo del tiempo, se divide el intervalo a considerar en lapsos más pequeños, de forma que se puedan considerar constantes las magnitudes físicas en cada punto durante los mismos, y los resultados globales se obtienen acumulando los resultados de cada pequeño intervalo de tiempo. La duración de estos pequeños lapsos de tiempo (timesteps) será distinta en función del objetivo perseguido en cada estudio. Es decir, se debe escoger un lapso de tiempo tan pequeño que las variaciones en todos los puntos durante el mismo puedan considerarse despreciables, pero no tanto como para hacer impracticable la resolución del problema (a lapsos más pequeños, mayor número de cálculos para un mismo intervalo global de tiempo). 72/203

73 Para obtener el intercambio neto de calor en un período de tiempo largo, se acumulan los intercambios de los intervalos parciales. Los valores así obtenidos se ajustan mucho mejor a la realidad que en una simulación estacionaria. En el caso de este Trabajo, se han considerado timesteps de 10 minutos para la validación y de 1 h para la simulación, como se expondrá posteriormente Desviaciones de la simulación estacionaria respecto a la transitoria Esta forma de simulación implica la asunción de que las temperaturas exterior e interior son constantes, lo que es totalmente alejado de la realidad. Una fachada real se ve sometida a variaciones de temperatura, puesto que cuando recibe la radiación solar, su superficie exterior se calienta por encima de la temperatura del aire. También está expuesta al viento, en distintas velocidades y orientaciones. A su vez, el aire exterior también sufre variaciones de temperatura, debidas a la radiación solar1, y a otros factores climáticos, como las direcciones del viento, el entorno (centro urbano, zonas ajardinadas, espacios abiertos o confinados, etc). Igualmente, la temperatura interior también sufre variaciones, debidas a la ocupación (número de personas y actividad que realizan, aparatos que producen calor, etc), ventilación, y otros factores. Esto hace que la temperatura en sus distintas capas también sufra variaciones, de forma que la energía acumulada en los materiales que la componen no se transmite siempre en la misma dirección ni a la misma velocidad, como supone una simulación estacionaria. 1 La radiación solar incide sobre los materiales sólidos, aumentando su temperatura, y éstos a su vez, calientan por convección al aire, que es virtualmente transparente a la radiación. 73/203

74 Esto implica que hay fenómenos de inercia térmica en los materiales de la fachada que no se tienen en cuenta, y que pueden suponer grandes diferencias en la energía neta transferida a través de la fachada en un período de tiempo determinado. Por tanto, la aproximación adecuada es la simulación transitoria. Figura 10: Temperaturas transitorias en la fachada Una consecuencia Un corolario de lo comentado respecto a las desviaciones de la simulación estacionaria que a priori puede escapar de la atención, es que en el inicio de la realización de una simulación transitoria, se deben establecer unas condiciones de contorno de temperaturas del aire exterior e interior, y también de las capas que componen la fachada, entre otras magnitudes. Estas condiciones son iguales para todo el ámbito de su definición, es decir, si al principio se establece que la capa de fábrica de ladrillo está a 298 K, inicialmente toda la capa de fábrica de ladrillo tiene esa misma temperatura, y según lo explicado en el apartado anterior, esto no es cierto. 74/203

75 En cada punto de la capa de fábrica de ladrillo (o cualquiera de las otras capas) existen variaciones de temperatura, debidas a la historia térmica a la que ha estado sometida antes de establecerse las condiciones de simulación. Por esto, de todo el tiempo de simulación realizado, siempre hay que desechar los primeros tramos, que únicamente sirven, y son imprescindibles para ello, para situar todos los puntos de la fachada en un estado térmico coherente con su historia térmica reciente. En el caso de este Trabajo, se ha simulado un periodo de tres días (72 horas), y se consideran para los cálculos únicamente las últimas 48 horas, desechando por tanto las primeras Geometría y Regiones La definición geométrica es la base de toda simulación en CFD. La definición geométrica establece los límites o fronteras entre zonas homogéneas o límites a considerar en las simulaciones. Puede establecerse mediante las herramientas de dibujo integradas en STAR-CCM+, o bien mediante importación de geometrías creadas con otros programas externos. Las dimensiones geométricas pueden corresponder con las del fenómeno a simular, o pueden hacerse diversas simplificaciones o escalados. Por ejemplo, para simular el flujo de un fluido en una tubería muy larga, se puede reducir la longitud de tubería a simular a una longitud representativa, simplificando la creación del modelo y el posterior cálculo, al requerir menos potencia de proceso y memoria, además de tener que resolver una cantidad considerablemente menor de ecuaciones. 75/203

76 También puede escalarse el fenómeno a simular, de la misma manera que se hace con maquetas para ensayos de laboratorio para analizar el comportamiento de rompeolas o de puertos enteros. En el caso de CFD, la reducción de escala tiene el objetivo de reducir los requisitos de computación y el tiempo requerido de cálculo. La definición geométrica es simplemente una delimitación de fronteras entre zonas con características comunes. A partir de la definición geométrica, se configuran las regiones, que son entidades que relacionan las propiedades y fenómenos físicos de los materiales con una zona geométrica del espacio delimitada. Debe configurarse una región para cada zona homogénea en cuanto a materiales, comportamiento y fenómenos físicos experimentados. En el caso de esta fachada, se crean regiones para cada hoja que la compone (ladrillo, aislante XPS, enlucido, PCM, aluminio del encapsulado) y para la cámara de aire, sumando un total de seis regiones. Las regiones también se utilizan para configurar parámetros de obtención de datos en las simulaciones, como las sondas Mallado y modelos de mallado Existen distintos modelos de mallado, que proporcionan celdas de formas adecuadas para simular distintos fenómenos físicos y distintas geometrías. El resultado obtenido de una simulación debe ser independiente de la elección del modelo de mallado realizada. Es decir, sea cual sea el mallado realizado, los resultados deben ser los mismos. Por tanto, la diferencia en la elección de mallados recae en la elección adecuada de los parámetros que los definen, como el tamaño de celda o los procesos de refinado realizados. 76/203

77 Sin embargo, hay modelos de mallado (formas de celda) que son más apropiados para un objetivo concreto, por lo que se podrán conseguir resultados precisos con menores exigencias de cálculo que con modelos menos adecuados, que requerirán mayor cantidad de celdas para obtener el mismo nivel de precisión. Por ello, en simulaciones cuya finalidad lo requiera, deben realizarse estudios de sensibilidad del mallado, consistentes en contrastar los resultados obtenidos con distintos mallados y configuraciones de éstos, para asegurar que estas configuraciones no tienen influencia en el resultado. En el caso presente, la finalidad es comparar distintos diseños de fachada, no la obtención de predicciones reales de parámetros como temperaturas en puntos concretos de la fachada o del interior del edificio, por lo que no se ha considerado necesario realizar un estudio de sensibilidad del mallado de forma específica y cuantitativa, sino que se ha comprobado durante el proceso de selección de los parámetros finales de mallado y de validación que los resultados de simulaciones con parámetros más finos no aportaba mejora en la precisión. Esta decisión se ve avalada por el hecho de que la validación del modelo asegura una fiabilidad suficiente para los fines buscados. Esto no implica que los valores obtenidos se puedan alejar de la realidad, sino que las posibles discrepancias entre éstos y la realidad serán de igual magnitud en todas las fachadas simuladas, por lo que la comparación entre éstas anula los efectos de las posibles diferencias con la realidad. Los parámetros más importantes de un mallado son el tamaño y la forma de celda. En general, a menor tamaño de celda, los resultados son más precisos, aunque a partir de un tamaño de celda, una disminución no aporta mejoras apreciables. 77/203

78 Cuanto menor es el tamaño de las celdas, mayor es la cantidad de celdas necesarias para completar el volumen simulado, y por tanto, mayores los recursos computacionales necesarios para resolver la simulación. Como solución intermedia entre un tamaño de celda muy pequeño para todo el dominio de la simulación y una pérdida de precisión con un tamaño de celda mayor, es habitual utilizar un tamaño de celda adecuado para la mayoría del volumen de interés, y refinar el tamaño y forma de las celdas de las zonas de especial interés, como las cercanas a mayores turbulencias, en los límites entre las fases sólidas y fluidas, o zonas de especial transferencia de energía, o por cualquier otro motivo de interés. De esta manera, se tiene la suficiente precisión en las zonas sensibles, sin aumentar innecesariamente los requisitos y tiempo de computación Tipos de celdas El más sencillo de todos los mallados es el que proporciona celdas hexaédricas, con forma de cubo. Estas celdas pueden alinearse con los bordes de los sólidos, o con la dirección de flujos de fluidos. Este modelo produce el menor número de celdas, y las formas de éstas son de la mayor calidad respecto a otros modelos. Este mismo modelo puede proporcionar celdas dodecaédricas. La calidad de las celdas evalúa la distribución geométrica relativa de los centroides de las celdas vecinas y la orientación de las superficies de las mismas. Una celda perfecta tiene un valor igual a la unidad. Una celda cúbica es una celda perfecta en este sentido, pero teóricamente otro tipo de celdas poliédricas también podrían tener un valor de calidad igual a la unidad. Una celda de mala calidad tiene un valor cercano a cero. 78/203

79 Figura 11: Calidad de las celdas del mallado. Fuente: Manual STAR-CCM+ Los modelos de celdas tetraédricas proporcionan una mejor adaptación a geometrías curvas y son más adecuadas para flujos que no son unidireccionales. El mallado así realizado consta de una mayor cantidad de celdas, del orden de 5 a 8 veces más que los mallados hexaédricos o poliédricos [7], y deben tener menor tamaño para alcanzar igual nivel de precisión que las hexaédricas, con lo que aumenta el tiempo de resolución respecto a otros mallados. Es una elección adecuada en las condiciones indicadas de superficies o contornos curvos y flujos de masa y/o energía multidireccionales. Los modelos de celdas poliédricas producen celdas de formas variadas. Se adaptan muy bien a la mayor parte de tipos de geometrías y flujos en cualquier dirección. 79/203

80 Existen multitud de parámetros y combinaciones que permiten configurar el mallado de un modelo con una gran variedad de resultados, y pueden variar de un programa a otro, no considerándose necesario entrar a definir una por una todas las variaciones posibles. Además de los modelos de mallado, existe la posibilidad de modificar las celdas producidas en zonas de especial interés, como superficies de contacto entre sólidos y fluidos, o zonas en las que se producen turbulencias o cualquier fenómeno que requiera una mayor definición. Estas modificaciones consisten generalmente en una reducción de tamaño y la producción de celdas más pequeñas de formas regulares, todo ello controlado por diversos parámetros. Una vez obtenidas las celdas 3D, se produce un mallado 2D a partir de éstas, obteniendo celdas bidimensionales. Para ello, el programa realiza una proyección de las celdas 3D existentes sobre un plano. Una vez realizado esto, las celdas 3D se pueden eliminar del modelo, pues no son necesarias Modelos matemáticos Los modelos matemáticos representan el conjunto de ecuaciones que el programa resolverá durante la simulación. En función de la selección realizada, se puede obtener una precisión variable, que generalmente se corresponde con una variación en los requisitos computacionales y de tiempo necesarios para calcular toda la simulación. En el programa utilizado, se configuran los modelos matemáticos (físicos) que se van a utilizar, agrupándolos en Continua, medios continuos que describen el comportamiento de una región física de la simulación que puede considerarse homogénea en cuanto a componentes, disposición y fenómenos experimentados. 80/203

81 Por ejemplo, un grupo de modelos define el comportamiento del aire en la cámara ventilada, mientras que para cada hoja o capa de la fachada existe otro grupo específico (PCM, encapsulados de aluminio, aislante, ladrillo, etc). Dentro de distintos grupos, un mismo modelo puede contener parámetros de configuración específicos, y que pueden tener distintos valores en cada uno. Cada grupo de modelos ( Continua ) es posteriormente asignado a una o varias regiones Sondas, Monitores, Derived Parts. Para la obtención de parámetros numéricos concretos en puntos o zonas concretas del modelo, como temperaturas o velocidades, se utilizan las sondas (reports). Éstas son entes lógicos que se configuran para indicarle al programa dónde se quiere obtener algún parámetro, y qué tipo de parámetro (temperatura, velocidad, flujo de calor, etc). Las sondas pueden ser puntuales, lineales, superficiales o volumétricas, en función de la zona de interés de la cual se quiere extraer un cálculo o medición. En el presente Trabajo tienen especial importancia las sondas superficiales, que se han utilizado para medir flujos de calor a través de superficies de las hojas de la fachada. También se han utilizado sondas puntuales para medir temperaturas en puntos seleccionados de varias hojas de la fachada, sobre todo para la validación del modelo, comparando estos resultados con los obtenidos en el ensayo del prototipo PASLINK. Las Derived Parts son subconjuntos de las regiones que se crean como una entidad separada, con la finalidad de aplicarles sondas para la obtención de medidas. 81/203

82 Los monitores son el enlace lógico entre las sondas y la recolección de datos. Con ellos se pueden leer resultados y trazar gráficos para su posterior análisis Solvers y Stopping Criteria. Residuals. Los solvers son el conjunto de parámetros que configuran la resolución de las ecuaciones en cada uno de los distintos modelos aplicados, e incluyen características propias de cada uno de ellos. Los stopping criteria son el conjunto de condiciones lógicas que se establecen para finalizar las iteracciones de resolución de las ecuaciones de cada modelo. Como se ha comentado anteriormente, estas ecuaciones se resuelven de forma iterativa para cada celda del modelo, obteniendo cada vez resultados más cercanos a la realidad. Esta mecánica iterativa podría continuar hasta agotar la precisión de los procesadores de los ordenadores utilizados y aún seguir (sin obtener más precisión a partir de este punto). En muchos casos, el nivel de precisión necesaria es mucho menor que el nivel de precisión que puede proporcionar un procesador, y alcanzar éste último requiere del consumo de muchos recursos de energía, memoria y tiempo. Por ejemplo, si el margen de error de un modelo en la predicción de una temperatura es de ±2ºC, no tiene sentido pretender obtener temperaturas con cuatro decimales. Los stopping criteria establecen diversas condiciones para decidir cuándo se debe dejar de calcular. Entre estas condiciones, se puede establecer un valor para la tasa de variación de los nuevos resultados respecto a los anteriores, de forma que cuando la variación se reduce, el valor puede considerarse definitivo (no va a cambiar mucho por más que se recalcule) para la precisión seleccionada. 82/203

83 También pueden establecerse criterios en base a la precisión general de los cálculos realizados. Esta precisión se mide con los residuals. Los residuals son calculados por los solvers, y representan el nivel de error cometido en los resultados numéricos respecto al valor real. Como es lógico, cada solver calcula de forma distinta los residuals. Al calcular los errores (residuals), si la configuración del modelo es correcta, deben reducirse en cada iteración (la solución converge), hasta un nivel aceptable, que implique que las soluciones obtenidas tienen la precisión suficiente para el fin buscado. 83/203

85 CAPÍTULO 6 PROCEDIMIENTO DE LA CFD 85/203

87 6 PROCEDIMIENTO DE LA CFD Función del modelo y características El modelo es el conjunto de idealizaciones hechas sobre la realidad, que puede ser utilizado para calcular distintos parámetros, como temperaturas, flujos de aire o de calor, etc. Consta de una descripción geométrica del sistema considerado, de sus distintas partes, y de la definición de su interacción con su entorno. La geometría puede ser bidimensional, o tridimensional, y se divide en pequeñas fracciones (mallado) denominadas celdas, sobre cada una de las cuales se efectúan los cálculos apropiados, en relación con sus celdas adyacentes (discretización). Las celdas pueden tener diversas formas y tamaños, y adaptar unas y otros de forma que los cálculos se realicen de la forma más rápida y precisa posible es una parte muy importante y a veces costosa en la confección de un modelo, ya que frecuentemente, precisión y tiempo de cálculo son directamente proporcionales. El tiempo de cálculo de una simulación puede abarcar varias horas o incluso días si los ajustes no son los adecuados, o si la máquina utilizada no es suficientemente potente. Finalmente, sobre estas celdas y geometría se aplican unos modelos (matemáticos), que describen las interacciones físicas entre las distintas celdas y materiales, y proporcionan resultados susceptibles de ser interpretados. Estos modelos matemáticos deben ser ajustados en cuanto a parámetros de sus fórmulas o criterios de paro de iteraciones. 87/203

88 Para obtener los resultados de interés, se configuran también las denominadas sondas, que especifican el tipo de parámetros que se desea obtener, y el lugar geométrico del que se quieren obtener (puntos, líneas, planos, volúmenes). 6.2 Introducción Mediante el software, se confecciona un modelo de fachada, que se valida mediante simulación con datos obtenidos en ensayos en una célula PASLINK en las instalaciones del Laboratorio de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco, situado en Vitoria-Gasteiz. Los citados ensayos se han realizado por parte del equipo de investigación del grupo de Energética en la Edificación de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea (ENEDI), al que pertenecen los dos directores de este Trabajo. Una vez validado dicho modelo, se realizan algunas variaciones en ciertos parámetros de diseño, con la finalidad de evaluar su comportamiento y compararlos entre sí, buscando optimizar el diseño global de la fachada ventilada. Los parámetros que se varían son el tipo de PCM utilizado, los espesores de la capa de PCM, de la cámara de aire, y el caudal de aire forzado en la cámara de aire. Los resultados obtenidos tendrán su ámbito de validez dentro del clima en el que se han simulado. Es decir, para cada clima detallado en el Código Técnico de la Edificación (CTE) existe un diseño de fachada cuyo comportamiento es óptimo, y no tiene por qué coincidir con los diseños del resto de climas (aunque podrían coincidir puntualmente). Esto implica que este trabajo habría de reproducirse utilizando los distintos climas para obtener un diseño apropiado para todos y cada uno. 88/203

89 Adicionalmente, en una localización concreta, con una combinación particular de clima de verano y de invierno, puede resultar que el diseño óptimo sea distinto para cada clima, teniendo que buscar una solución de compromiso de forma que la eficiencia anual sea óptima (acercando por tanto el diseño más hacia el de verano o el de invierno, según corresponda). Las zonas climáticas en el CTE [25] se clasifican en función de su severidad de invierno con una letra de la A a la E (cinco categorías, de menor a mayor severidad), y de la severidad del clima de verano con un número del 1 al 4 (cuatro categorías, de menor a mayor severidad). Por tanto la denominación climática completa de una localización determinada se realiza mediante la combinación de ambas severidades, con su correspondiente letra seguida del número apropiado. En el caso del presente Trabajo, se ha evaluado el clima en la ciudad de Madrid, clasificado en el CTE como D3. El ámbito de este trabajo abarca únicamente el clima de verano, es decir, una severidad de clima de verano 3. Como medio de evaluación comparativa del comportamiento de cada diseño de fachada, se definen varios coeficientes, que de forma global evaluarán la distribución del calor absorbido por el exterior de la fachada entre las partes de interés de la misma, como la cámara de aire, el propio exterior de la fachada, o el interior del recinto cerrado por la fachada. 6.3 Creación del modelo La creación del modelo comienza por la definición geométrica de la fachada. Ésta ha sido ya introducida en el apartado 3.1 Descripción de la fachada ventilada (página 28). Las dimensiones de la fachada ensayada son de 2,7 m de alto y 2,7 m de longitud, siendo el espesor el detallado en el apartado anteriormente citado. 89/203

90 Con este modelo geométrico, se producen las regiones y demás elementos necesarios para ejecutar la simulación y obtener resultados. 6.4 Definición y geometría de la fachada Una vez introducidos los parámetros correspondientes en el software, se obtiene un modelo geométrico con las características equivalentes a la probeta real ensayada. Por cuestiones que se explicarán más adelante, la simulación no se realiza sobre el modelo completo, sino sobre una versión en 2D, por lo que tampoco se modeliza la fachada en toda su longitud, sino que se ha tenido en cuenta únicamente una sección de un centímetro de espesor. El resultado es el siguiente: Figura 12: Geometría de la fachada en vista normal eje z 90/203

91 Figura 13: Geometría de la fachada. Detalle inferior en vista 3D. Figura 14: Geometría de la fachada. Detalle del encapsulado. En color gris está representado el encapsulado de aluminio (perfiles AluStock), en color azul el PCM, en color marrón la cámara de aire, en verde la capa de aislante, en verde-azul la capa de ladrillo, y finalmente, en naranja la capa de enlucido. 91/203

92 Se puede apreciar cómo dentro de la capa correspondiente a la cámara de aire (marrón) se ven las aletas añadidas al encapsulado para mejorar la transmisión de calor entre ésta y el aire. A través de la parte inferior de la cámara de aire (capa marrón, vista en la Figura 13, arriba) entra el aire desde el exterior, y por la parte superior sale después de haberse calentado por efecto del PCM en su recorrido. En el modelo, estas superficies se conocen ecomo Inlet (entrada)y Outlet (salida). El resto de superficies tienen nombres apropiados para poderlos distinguir al trabajar con el modelo, pero no tiene relevancia detallarlos. Con esta geometría, se crean las correspondientes entidades ( geometry parts ), que servirán como base para generar las regiones a las que se asignarán materiales y modelos físicos. En el caso de esta fachada, cada una de las hojas corresponderá con una región, de forma que habrá una para el aluminio del encapsulado, otra para el PCM en él contenido, otra para el aire, aislamiento, ladrillo y enlucido, sumando un total de seis regiones distintas. 92/203

93 Figura 15: Algunos parámetros introducidos para generar la geometría. 6.5 Definición del mallado Cada región debe ser mallada de una forma adecuada a los fenómenos que se van a analizar en ella. Por tanto, es lógico utilizar un mallado más fino cuantas más variaciones se puedan producir por unidad de longitud en cualquier sentido. Por tanto, la región correspondiente al aire tendrá un mallado más fino, así como las capas de aluminio y enlucido, por ser de pequeño espesor y producirse por tanto los eventos físicos en poco espacio. Adicionalmente, en las superficies de contacto entre distintas regiones, también se producirá un refinado del mallado, consistente en una reducción del tamaño de las celdas del mismo en las zonas afectadas. Esto se debe a que en dichas superficies 93/203

94 se producen cambios de material (no intercambios de masa) y fenómenos asociados a estos cambios, como resistencias térmicas superficiales, o adherencia de capas de fluidos (aire) a las capas sólidas y turbulencias en los fluidos cercanos Opciones de mallado y justificación de la elección adoptada De los tipos de celdas descritos en el apartado Tipos de celdas, el manual del fabricante indica que los más precisos son los modelos Trimmed, un subconjunto del grupo de celdas hexaédricas que produce celdas de forma cúbica, y Poliédrica, que produce celdas de formas poliédricas variadas. Las celdas tetraédricas necesitan del orden de 5 a 8 veces más celdas para alcanzar la misma precisión que las anteriores, aunque también es más rápida. El inconveniente es el mayor requerimiento de recursos computacionales (memoria y capacidad de procesador). Por requerir menores recursos computacionales y ofrecer resultados precisos, se ha seleccionado un mallado basado en celdas de forma hexaédrica Características del mallado configurado Para el modelo utilizado en este Trabajo, se ha elegido una malla hexaédrica, debido a la simplicidad de la geometría de la fachada y a que el aire se mueve en una dirección fija. Además, es el modelo recomendado en el manual del fabricante para flujos de calor y masa unidireccionales. Para las regiones correspondientes al PCM, aislante (XPS) y ladrillo, se ha seleccionado un tamaño de celda de 5 mm, permitiéndose un mínimo de 1 mm por condiciones particulares de la geometría. El máximo crecimiento permitido entre celdas contiguas es de 1,5, y en los límites de cada región se generan cuatro capas de celdas prismáticas. Todas las celdas tienen sus aristas alineadas con los ejes x, y y z. 94/203

95 Para la región correspondiente a la cámara de aire, el tamaño de celda se reduce hasta los 2,5 mm, el máximo crecimiento entre celdas contiguas es de 1,1 y se generan ocho capas de celdas prismáticas en las fronteras con otras capas, para poder evaluar mejor los fenómenos de turbulencias y transmisión de calor. De la misma manera, en las zonas límite con las aletas de la capa del encapsulado de aluminio, el número de capas de celdas prismáticas es de 10 y el crecimiento entre celdas de 1,3. Finalmente, en las regiones correspondientes al aluminio del encapsulado y al enlucido, el tamaño de celda es de 1 mm, con un mínimo de 0,5 mm permitido. El crecimiento entre celdas es de 1,3 y sólo se considera una única capa de celdas prismáticas, ya que por el reducido espesor de estas regiones, no hay sitio para más, ni tampoco son necesarias con este tamaño de celda. Figura 16: Detalle del mallado 3D obtenido. Vista transparente. Esto produce el siguiente número de celdas por región: 95/203

96 Región Número de celdas Encapsulado de aluminio PCM Cámara de aire Aislante XPS Ladrillo Enlucido TOTAL Tabla 1: Recuento de celdas en mallado 3D Figura 17: Detalle del mallado 3D obtenido. Vista sólida. 96/203

97 Para los fines perseguidos en este documento, no es necesario simular la fachada en 3D, sino que es suficiente hacerlo en 2D, debido a que las diferencias de temperaturas a lo largo de la longitud de la fachada, medidas a la misma altura, son menores que 1ºC, por lo que pueden despreciarse [10]. Esta simplificación exige una considerablemente menor potencia de cálculo, memoria, y tiempo de simulación. Este mallado 3D se transforma en celdas de forma cuadrada al convertirlo en 2D, conservando sus dimensiones de aristas. Las aristas están orientadas de forma paralela a los ejes de la fachada, de forma que la transferencia de calor y la circulación de aire se producen perpendiculares a las caras de las celdas. Este nuevo mallado 2D produce un total de celdas para el modelo de menores dimensiones, y de celdas 2D para el modelo con la cámara de aire más grande (de los dos modelos de mayores dimensiones). Como puede apreciarse, un mallado 2D consta de unas celdas, mientras que uno 3D puede alcanzar para el mismo modelo (el mallado 2D es siete veces menor). Figura 18: Mallado 2D utilizado en el modelo (confección propia) 97/203

98 6.6 Definición de los modelos físicos Como se ha comentado en el apartado 5.1 Fenómenos físicos (página 45), en esta fachada se producen principalmente fenómenos de transferencia de energía, y a través de la cámara de aire, también intercambios de masa. Por tanto, los modelos físicos que se asignarán a las diferentes regiones deberán tenerlos en cuenta. Para ello, el programa dispone de una serie de modelos, cada uno más adecuado para situaciones concretas, y con diferentes resultados en cuanto a precisión y tiempo de cálculo. Para confeccionar el modelo de la fachada, se han seleccionado los siguientes Modelos para el aire Se ha tratado el aire como gas ideal, y se ha tenido en cuenta el efecto de la gravedad. Como el flujo por la cámara de aire es turbulento (ver apartado Número de Reynolds, página 62), se ha seleccionado también el modelo K-Epsilon de turbulencia, y los modelos Realizable K-Epsilon Two- Layer, y Reynolds- Averaged Navier-Stokes, y se han resuelto las ecuaciones de la energía y conservación de masa por separado (modelos Segregated Flow y Segregated Fluid Temperature). Las propiedades del aire se pueden ver en el Anexo Propiedades del aire (página 198). La velocidad de entrada del aire en la superficie Inlet es constante e igual a 0,478 m/s, según se calculó en el apartado Flujo volumétrico y velocidad 2D, página 61. La temperatura de entrada de este aire es variable, y se detalla en el Anexo 14.5 Temperaturas del aire y Temperatura sol-aire, página 202, columna Taire[K]. Estos datos corresponden a los medidos durante el ensayo PASLINK de la fachada real. 98/203

99 6.6.2 Modelos para los sólidos Estos modelos tendrán que considerar los intercambios de calor por conducción-convección y por radiación. En el caso del PCM, al haber cambio de estado, el tratamiento podría no ser tan sencillo, por lo que se considera en apartado dedicado. En estas regiones no hay intercambio de masa, únicamente de energía (calor). Para la introducción de las condiciones ambientales de temperatura y radiación solar, se ha optado por utilizar la temperatura sol-aire, tsol-aire, según se ha explicado anteriormente en el apartado Temperatura Sol-aire, página 56. Ha de destacarse que la configuración de este modelo no tiene en cuenta los efectos de la humedad que pudiera presentarse en la superficie exterior de la fachada, como consecuencia de lluvias o de condensación por nieblas o temperatura de rocío. La presencia de agua sobre esta superficie altera las características térmicas de la misma. Esto es igualmente cierto para posibles condensaciones en la cámara de aire, en condiciones de niebla, por ejemplo. Las propiedades de los materiales empleadas se pueden consultar en el anexo 14.4 Propiedades de los materiales, página Modelización del PCM El PCM es un material que cambia de fase durante su funcionamiento en la fachada, por lo que es susceptible de modelarse mediante dos enfoques principales. El primero de ellos consiste en utilizar modelos de fusión-solidificación, que a priori corresponden con el comportamiento real del material. El segundo consiste en modelar el PCM como un sólido con cp variable con la temperatura. 99/203

100 Pruebas realizadas por Diarce et a. [10] demuestran que las diferencias entre estos dos enfoques son despreciables, menores a 0,3ºC en los cálculos de temperatura, por lo que se utilizará un modelo de sólido con cp variable con la temperatura, reduciendo así los requerimientos de potencia de cálculo y tiempo empleados. Un posible problema derivado de seleccionar este enfoque podría ser causado porque este modelo no tendría en cuenta los efectos de convección en el PCM líquido. En el mismo trabajo se demuestra que debido al pequeño tamaño del encapsulado, estos efectos son despreciables, por lo que no se cometen errores apreciables tratando al PCM como un sólido con cp variable con la temperatura. Los modelos seleccionados por tanto, para la región del PCM son Constant Density y Segregated Solid Energy, además de los necesarios para realizar las simulaciones en 2D y en régimen dinámico. La densidad del PCM se ha establecido en 500 kg/m3, la conductividad térmica en 0,2 W/(m K) y el calor específico en función de la temperatura es el obtenido en ensayos por el Grupo ENEDI, según se detalla en el anexo Propiedades del PCM RT35, página 197. La densidad utilizada es menor que la densidad presentada por el fabricante, de 860 kg/m3 para el sólido a 15ºC, y de 770 kg/m3 para el líquido a 45ºC. Esto es así porque el encapsulado de aluminio no está completamente lleno de PCM, en primer lugar porque al fundirse, el PCM experimenta una expansión volumétrica del 12,5%, y en segundo lugar, porque el ensayo PASLINK llevado a cabo en octubre de 2010, cuyos datos se han empleado para este Trabajo, era el segundo que se llevaba a cabo tras otro anterior en el mes de marzo de 2010, y tras el cual se produjeron fugas de material sin cuantificar. La introducción de una densidad menor es la forma de indicar al programa que hay menos masa de PCM que la que cabría esperar en el lugar geométrico que tiene asignado en el modelo. 100/203

101 Modelos de convección-conducción Los modelos comunes a todas las regiones sólidas son los siguientes: Constant Density, Gradients, Solid. Adicionalmente, también se seleccionan los modelos Implicit Unsteady, Segregated Solid Energy, y Two Dimensional, para ejecutar simulaciones dinámicas en dos dimensiones y resolviendo por separado las ecuaciones de energía y masa. Las propiedades de los materiales empleadas se pueden consultar en el anexo 14.4 Propiedades de los materiales, página Modelos de radiación Se han seleccionado los modelos Radiation, Participating Media Radiation (DOM) y Gray Thermal Radiation. En el caso de esta fachada, el aire es transparente a la radiación, por lo que no interviene en la transmisión por radiación entre la capa exterior y la del aislante. Por ello, sería lógico elegir el modelo Surface-to-Surface, disponible en el programa. Sin embargo, éste modelo no es seleccionable en simulaciones 2D, por lo que la única elección es Participating Media Radiation. Las otra alternativas son Gray Thermal Radiation y Multiband Thermal Radiation. Como la radiación interviniente no se caracteriza por bandas de frecuencia, se utiliza un espectro continuo (Gray Thermal Radiation) Temperatura Sol-aire Como se ha comentado anteriormente, se utiliza una forma combinada entre la temperatura ambiental y la radiación solar, en forma de una temperatura denominada temperatura sol-aire tsol-aire, y que aúna los efectos de ambas, y fue introducida en el apartado Temperatura Sol-aire, página /203

102 Las temperaturas del aire y sol-aire empleadas se pueden consultar en el anexo 14.5 Temperaturas del aire y Temperatura sol-aire, página Modelo de radiación. Como se expondrá en el capitulo Datos climáticos (página 128), si bien para la validación del modelo se utilizá datos experimentales de radiación y temperaturas, para la simulación de los distintos diseños de fachada en condiciones climáticas dadas, se parte de datos climáticos del Código Técnico de la Edificación, y con ellos se calcula la temperatura sol-aire apropiada. Estos cálculos difieren de los realizados para utilizar los datos medidos, debido a que se basan en datos más genéricos y también se pretende establecer un método válido para una aplicación más amplia. 6.7 Sondas. Monitores. Plots. Reports. Con el fin de obtener datos para su posterior análisis, se han insertado varias sondas en el diseño del modelo. Las más importantes se pueden clasificar por el tipo de datos que proporcionan, y son dos grandes grupos, sondas de temperatura y sondas de intercambio de calor. Las sondas de temperatura se han utilizado para medir la temperatura puntual de la capa de PCM y Aire a una altura de aproximadamente 2,25 m de altura, así como la temperatura media del aire expulsado por la parte superior de la cámara de aire. Las sondas de intercambio de calor se han configurado para medir el intercambio de calor a través de las superficies de contacto entre las distintas regiones. Adicionalmente, también se ha contabilizado el calor introducido en la cámara de aire al entrar por la abertura inferior, y el calor expulsado con el mismo en su salida superior. 102/203

103 También se han configurado otros sensores cuya utilidad únicamente ha sido la de verificar que los parámetros introducidos son adecuados, como parámetros de turbulencia en la cámara de aire (energía cinética Tke, razón de disipación Tdr, razón de viscosidad Tvr). Figura 19: Localización de las sondas de temperatura. 6.8 Definición de los parámetros de cálculo (solvers) Estos parámetros controlan la forma que utilizará el programa para resolver las ecuaciones del transporte para cada modelo. Cada modelo físico tiene sus propios parámetros, y son dependientes de la selección que de ellos se ha hecho. 103/203

104 Los parámetros más representativos son los siguientes: Implicit Unsteady: Se ha utilizado un time-step de 3600 s (pasos de una hora) para las simulaciones, y de 600 s para la validación del modelo (pasos de 10 minutos), con una discretización temporal de primer orden. Segregated Flow Velocity: Factor de relajación de 0,8 Pressure: Factor de relajación 0,2 Segregated Energy: Factor de relajación para fluidos 0,9; para sólido 1,0. K-Epsilon Turbulence: Factor de relajación 0,8. Hay cuantiosos parámetros adicionales, que se considera innecesario detallar en este documento por no aportar información útil para el fin perseguido, aunque tienen una importancia innegable en la configuración del modelo. 6.9 Stopping Criteria. Residuals. Los stopping criteria son los criterios mediante los cuales el programa decide cuándo debe dejar las iteracciones de cálculo, bien por haber alcanzado una precisión suficiente, o bien por haber superado un tiempo máximo establecido para ello, con la intención de limitar en el tiempo la duración de una simulación. Pequeñas variaciones en estos criterios pueden dar lugar a simulaciones que tarden el doble o el triple en completarse, lo que puede trasladar la duración desde algunas horas a varios días, en función de la potencia de cálculo disponible. En el caso de estas simulaciones, se ha decidido asignar los siguientes criterios: Continuity Criterion: límite asintótico 1E-5 en 5 muestras. 104/203

105 Energy Criterion: Desviación estándar de 8,0E-6 en 5 muestras. Maximum Inner Iterations: 140 Maximum Physical Time: s para las simulaciones. Maximum Steps: 72. Es redundante con el anterior. Tdr Criterion: Asintotico, 1,0E-5 en 5 muestras. Tkr Criterion: Asintótico, 1,0E-5 en 5 muestras. X-momentum Criterion y Y-momentum Criterior: Asintóticos, 1,0E-5 en 5 muestras. Estos criterios (asintótico, desviación estándas) se refieren a la representación gráfica de los correspondientes valores, de forma que el criterio asintótico es cierto cuando la diferencia de valores máximo y mínimo entre los últimos valores considerados es menor que el límite establecido. Con la desviación estándar el funcionamiento es análogo. Los residuals en cada celda representa el grado en el cual se ha satisfecho la ecuación discretizada. STAR-CCM+ calcula calcula un valor global a partir del error en cada celda r para un número total de celdas n utilizando la siguiente expresión: R rms = 1 2 r n n (21) Esto se calcula para cada una de las ecuaciones del transporte resueltas en cada modelo físico de la simulación. Estos valores pueden variar en valor absoluto, por lo que se calcula un valor normalizado, Rpres, que permite comparar distintos valores, ya que todos se hallan entre 0 y 1. Se calcula de la siguiente manera: 105/203

106 R pres = R rms R norm (22) El valor Rnorm se puede asignar manualmente, pero en modo automático se selecciona automáticamente el mayor valor absoluto de todos los valores calculados en cada iteración. Esto implica que cuanto mayor precisión se obtiene, menor será el valor de todos los residuals. Sin embargo, este valor no proporciona información sobre el error cometido en una magnitud física concreta. Es decir, un residual de 0,10 no implica que el error cometido en la magnitud correspondiente (energía, turbulencia, etc) sea de un 10% Postprocesado Entre otros parámetros de cálculo obtenidos, los datos que se emplearán en el análisis final serán temperaturas en las sondas, y flujos de calor a través de las superficies, y se describen a continuación Gráficos de temperatura obtenidos Se obtienen las temperaturas de las sondas de la capa de PCM, del aire en la cámara y a la salida de la misma, y la temperatura de la superficie interior de la fachada (capa enlucido), además de los datos de entrada de la temperatura del aire exterior (que es también la temperatura del aire en la entrada de la cámara), y la temperatura sol-aire utilizada como excitación (Figura 36, capítulo 14.2, página 194). 106/203

107 Gráficos de calor obtenidos También se obtienen, entre otros, los flujos de calor que circulan a través de las superficies exteriores de la capa de encapsulado de aluminio y de enlucido, y el calor que entra y sale con el aire por la cámara ventilada. Estos flujos se utilizarán en el análisis de los resultados para comparar el rendimiento térmico de los distintos diseños de fachada. (Figura 37, capítulo 14.2, página 194) Residuals. Gráfico. Como medio de verificación de la precisión de los cálculos, también se examinan los residuals obtenidos por el programa, no observando ninguna anomalía que indique la existencia de problemas de cálculo. (Figura 38,capítulo 14.2, página 195). 107/203

109 CAPÍTULO 7 METODOLOGÍA 109/203

111 7 METODOLOGÍA 7.1 Validación del modelo Ensayos PASLINK En la celda PASLINK del LCCE del Gobierno Vasco en Vitoria-Gasteiz, se han llevado a cabo varias pruebas con una fachada ventilada, de los que se han obtenido diversos datos. Para validar el modelo de fachada, se crea un modelo con el mismo diseño que la fachada ensayada, y se realiza una simulación introduciendo como datos climáticos los medidos durante los ensayos, Un modelo válido ofrece resultados comparables a los obtenidos durante los ensayos, en los parámetros considerados clave en función del análisis que se pretenda realizar con dicho modelo. Para el presente caso, se utilizan como datos de comparación la temperatura de la capa de PCM y la temperatura del aire en la cámara ventilada Proceso de validación Una vez creado el modelo, es imprescindible validarlo con datos experimentales, para verificar que su comportamiento se corresponde suficientemente con los fenómenos que se pretenden simular, y por tanto, que las predicciones y resultados que se obtengan de él serán suficientemente válidas para el objetivo perseguido. Para validar el modelo, se comparan las predicciones obtenidas de su simulación con los datos obtenidos en ensayos reales, ajustando el modelo a las condiciones reales ensayadas. Idealmente, un modelo perfecto ofrecería idénticos resultados a los ensayados, pero esto no puede ocurrir nunca, por varias razones. 111/203

112 En primer lugar, los propios resultados obtenidos en ensayos de laboratorio no son exactos, sino que contienen errores debidos a la precisión de los aparatos utilizados en las medidas, a la localización de su montaje y calidad de ejecución, precisión de los cálculos realizados con las medidas obtenidas, incertidumbre en las propiedades de los materiales, etc. Adicionalmente, las condiciones atmosféricas no son tampoco exactas ni completas, puesto que la toma de datos se realiza a intervalos de tiempo (diez minutos en este caso), pasando las variaciones intermedias desapercibidas y no siendo contabilizadas en los registros, mientras que sí han tenido influencia en el comportamiento del prototipo. Por su parte, un modelo de simulación tampoco ofrece resultados precisos, porque aplica modelos físicos que suponen simplificaciones conocidas de la realidad, y cuya aproximación a la misma varía en función de los modelos matemáticos seleccionados. Incluso existiendo modelos más precisos que otros, frecuentemente se seleccionan modelos alternativos, debido a que generalmente, los modelos más precisos también tienen requisitos más exigentes en cuanto a capacidad y tiempo de computación, de forma que la mejora en la precisión de los resultados no suele justificar un aumento considerable en el tiempo de cálculo, por ejemplo. Así, en función de las necesidades de precisión y medios disponibles, se seleccionan aquellos modelos que ofrecen una precisión suficiente y exigen unos medios de cálculo y tiempo de ejecución razonables. Por todo esto, no se puede esperar que en la validación de un modelo se obtengan diferencias nulas respecto al comportamiento real de un prototipo ensayado. 112/203

113 El proceso propiamente dicho, comienza con una simulación basada en los parámetros conocidos, tanto ambientales, como de propiedades de los materiales, condiciones iniciales medidas, etc. El modelo se configura para obtener los parámetros de interés para el estudio en cuestión, como temperaturas, flujos de calor, etc, y que puedan ser comparados con datos experimentales. Los resultados de esta simulación inicial se comparan con los experimentales, y se analizan las diferencias, con el objetivo de identificar las causas más probables de las mismas. Seguidamente, se formulan hipótesis sobre las causas de las diferencias, y se evalúan y calculan las variaciones que se deben introducir para corregirlos. Con estas variaciones, se ejecuta una nueva simulación y se vuelven a comparar los resultados y analizar diferencias, repitiendo el ciclo hasta que se consigue aproximar los resultados del modelo a los experimentales. En el presente Trabajo, esta fase es la que más tiempo ha consumido, requiriendo una elevada cantidad de simulaciones (más de 120 variaciones y modelos) y de tiempo para realizarlas, con sus correspondientes producciones de datos que han sido clasificados y analizados tanto secuencialmente (variación respecto a la configuración anterior) como transversalmente (comparaciones con el resto de simulaciones realizadas hasta el momento), lo que implica un aumento exponencial de los análisis realizados. Las variaciones entre los distintos modelos de prueba han consistido principalmente en ajustar las propiedades de los materiales, los datos de excitación, y la localización de las sondas (se ha comentado anteriormente que no se tiene 113/203

114 constancia de la localización exacta de las sondas en la probeta PASLINK, y una pequeña variación en su instalación arroja importantes variaciones en la medida obtenida). Los datos de entrada han de ajustarse debido a que son cálculos derivados de medidas de los parámetros ambientales y de propiedades superficiales de los materiales, además de incluir el lógico margen de error de los sensores utilizados en su obtención Datos introducidos para la validación del modelo Para la validación del modelo se han utilizado datos ambientales y parámetros de la fachada procedentes del ensayo de la celda PASLINK. Los datos ambientales utilizados han sido la temperatura ambiental, velocidad del viento y radiación solar. Los parámetros de la fachada utilizados son las temperaturas de distintos sensores integrados en la capa de PCM y en la cámara de aire, así como sensores de temperatura superficial de la capa interior de la fachada. Con los datos ambientales se ha calculado una temperatura sol-aire, Tsolaire, que se ha aplicado a la capa exterior de la fachada (PCM) y que aúna los efectos de la temperatura ambiental y la radiación solar en un único parámetro, facilitando así los cálculos de simulación. Esta temperatura sol-aire se aplica por igual en toda la superficie exterior de la capa de PCM, por estar igualmente expuesta al aire exterior y a la radiación solar. Para aplicar esta temperatura, y para tener en cuenta las variaciones del viento, también se ha aplicado como condición de contorno el coeficiente de transferencia de calor por convección como dato variable en las propiedades de la superficie exterior. 114/203

115 La temperatura en la capa de PCM se ha medido en dos alturas diferentes, en la mitad de la altura de la fachada, y en la parte superior. Para la validación se ha considerado únicamente la de la parte superior, por ser la más representativa. La temperatura del aire dentro de la cámara también se ha medido en diferentes alturas, y nuevamente, también se ha considerado únicamente la obtenida en la parte de arriba, por corresponder a la zona donde más se ha calentado el aire en su recorrido ascendente. Se ha seleccionado un timestep de 10 minutos, por ser el mismo intervalo de tiempo con el que se han tomado las medidas en el ensayo PASLINK. Los datos se pueden consultar en el Anexo 14.4 Propiedades de los materiales Conclusiones En el modelo finalmente validado se ha conseguido una precisión muy ajustada en las temperaturas del PCM, aunque no ha sido posible ajustar en la misma medida las temperaturas del aire. Sin embargo, como el objetivo es comparar distintos diseños, y no una predicción certera de la temperatura del aire, se considera que el modelo es suficientemente preciso para la finalidad perseguida. El hecho de no obtener una mejor aproximación no significa que el modelo sea impreciso, o más impreciso de lo que es por el hecho de ser un modelo (y por tanto, asumir ciertas simplificaciones), sino que se puede atribuir a ciertas circunstancias, como la localización de las sondas en la probeta de la celda PASLINK, no conocida con precisión, o efectos no tenidos en cuenta tanto en las medidas como en el modelo, como los efectos de la posible humedad sobre la superficie de la probeta en caso de lluvia o nieblas, o las resistencias térmicas superficiales, etc. 115/203

116 7.2 Análisis Paramétrico Para la comparación relativa del rendimiento térmico entre los distintos diseños de fachadas, se dispone de los datos de flujos de calor obtenidos en las simulaciones, así como de las temperaturas en distintas localizaciones. En base a estos resultados, se proponen un grupo de coeficientes o índices que permiten comparar aspectos particulares del comportamiento de cada fachada, quedando a criterio posterior la ponderación del valor de cada uno de ellos a la hora de seleccionar la variación óptima para cada caso concreto. Todos los cálculos se han realizado teniendo en cuenta únicamente los resultados obtenidos en las últimas 48 horas de simulación, siendo las primeras 24 horas de acomodación del modelo a la situación dinámica desde las condiciones iniciales estáticas establecidas para el mismo Variables a estudiar La fachada estudiada consta de cinco hojas, una exterior que contiene el PCM, una cámara de aire, una capa de aislante XPS, una capa de fábrica de ladrillo, y una de enlucido de yeso en el interior del edificio. En este diseño se podrían variar tanto parámetros dimensionales como materiales utilizados. Como la finalidad del diseño de esta fachada es la rehabilitación energética de edificios existentes, o incluso su uso en edificios de nueva construcción, es quizá más lógico conservar intactos los materiales de construcción (ladrillo, yeso, aislante) y modificar los parámetros más distintivos de esta fachada, para evaluar su influencia en su comportamiento global. 116/203

117 Estos elementos significativos son el PCM y la cámara de aire, como elementos constructivos, y el caudal de aire forzado, como elemento funcional. Por tanto, se analizarán variaciones en el espesor de la hoja de PCM y de la cámara de aire, así como variaciones en el flujo de aire y en el material PCM utilizado. Partiendo del diseño ensayado en la cámara PASLINK, se variarán éstos aumentando y disminuyendo la anchura de la cámara de aire y el caudal de aire, aumentando el espesor de la hoja de PCM, y sustituyendo el PCM utilizado por otros de distintas características, uno de mayor capacidad de almacenamiento, y otro con distinta temperatura de fusión. Cada variación se realizará ceteris paribus, es decir, una única modificación sobre el modelo ensayado en PASLINK cada vez. En los casos de variación del espesor de la cámara de aire (29-30-rt35 y rt35) se conserva la velocidad del aire, aunque ésto implique una variación de caudal volumétrico, ya que conservar el caudal modificaría en gran medida la velocidad del aire, y alteraría los fenómenos de intercambio de calor respecto a los producidos en la fachada original, desvirtuando el análisis del cambio en las dimensiones de la cámara. Entre todas las variaciones, se simula y analiza un conjunto de ocho fachadas, incluida la ensayada en PASLINK Nomenclatura empleada Denominación de los diseños Cada diseño de fachada ha sido nombrado en base a sus características diferenciales, es decir, en base a la capa de PCM, la cámara de aire, y el PCM utilizado. Así, el nombre se compone de tres elementos. Los dos primeros 117/203

118 corresponden al grosor de la capa de PCM (incluyendo el encapsulado), y al espesor de la cámara de aire. El tercer elemento es el PCM utilizado, pudiendo ser rt35, PCMH o PCM42. Adicionalmente a los cambios en espesores de capas y en materiales PCM utilizados, también se ha evaluado la incidencia de la variación del caudal de aire que circula forzado por la cámara de ventilación, aumentándolo o reduciéndolo en un 20%. Estas variaciones se han indicado añadiendo q+ (para el aumento) o q- (para la disminución) al final del nombre, según el caudal ha sido aumentado o disminuido. Así, rt35 designa un diseño de fachada con una capa de PCM de 20 mm, una cámara de aire de 60 mm, y un PCM tipo rt35. Esta es la fachada ensayada en la celda PASLINK, y base para el resto de variaciones. Análogamente, rt35q+ corresponde a un diseño con una capa de PCM de 20 mm, una cámara de aire de 60 mm, un PCM tipo rt35, y caudal de aire aumentado en un 20%. Como ejemplo final, PCM42 correspondería a un diseño con una capa de PCM de 20 mm, una cámara de aire de 60 mm, y el PCM calculado con temperatura de fusión de 42ºC Fronteras del modelo Las fronteras del modelo son las superficies (3D) o líneas (2D) que separan una región de otra, con distintas características y materiales, y a través de las cuales, en general, se producen fenómenos de transporte de masa y/o energía. Las fronteras de interés en este trabajo son las siguientes: 118/203

119 Inlet: Representa la superficie de entrada de la cámara ventilada, por donde se admite el aire exterior que luego circulará en sentido ascendente. Outlet: Representa la superficie de salida de la cámara ventilada, situada en la parte superior de la misma, y por donde se expulsa el aire caliente. 5-int: Representa la superficie del enlucido del interior del edificio. A su través se intercambia únicamente energía en forma de calor. 1-ext: Representa la superficie exterior del encapsulado de aluminio que contiene el PCM, en contacto directo con el aire del entorno (de la calle). A su través se intercambia energía en forma de calor, y es la superficie que recibe la radiación solar Coeficientes para el procesado de resultados La finalidad de la fachada en condiciones de verano, como la que se ha simulado, es evitar que el calor exterior entre al edificio, reduciendo así su necesidad de refrigeración. El calor entra en la fachada a través de la superficie exterior de la capa de PCM, y en una fachada normal, acabaría penetrando hasta el interior de la vivienda. En una fachada ventilada, el calor que entra por el exterior es evacuado en parte por el aire que circula por la cámara de aire, que en su recorrido ascendente absorbe parte del calor de la hoja exterior, y lo evacua al salir por la parte superior de la cámara, reduciendo así el calor que alcanza a la siguiente capa, la de aislante, y por tanto, la que puede llegar al interior del edificio. 119/203

120 Por tanto, se han elegido como parámetros significativos a tener en cuenta en el cálculo de los coeficientes, el calor que entra por la hoja exterior, el calor evacuado por el aire por la parte superior de la cámara de aire, y el calor introducido por el aire al entrar por la parte inferior de la cámara. Se considera el intercambio de calor en toda la extensión de tiempo de las simulaciones. Esto se calcularía integrando los intercambios de calor en cada diferencial de tiempo, pero como se dispone de datos acumulados en tramos de una hora, un simple sumatorio de los mismos ofrece el valor global. El programa considera negativos los flujos de calor que entran en el sistema, y positivos los que salen del mismo, y así ofrece los resultados. A partir de los resultados numéricos obtenidos en las simulaciones, se pueden realizar múltiples análisis, en función del aspecto a considerar. Así, podría calcularse un coeficiente comparativo entre dos fachadas, como el utilizado por Patania et al [18], que define un indicador denominado energy saving rate S debido a la ventilación de la estructura, de la siguiente manera: S= Q tnv Q Q tnv (23) donde Qtnv y Q son los flujos de calor entrante al edificio referidos a una fachada ventilada y no ventilada. Sin embargo, el citado estudio se ha realizado con base en simulaciones en estado estacionario, y las variaciones se producen en las condiciones de contorno (radiación solar, velocidad del aire) para tres fachadas distintas. Esto no es directamente aplicable a este Trabajo, ya que lo que se pretende es comparar el comportamiento de distintos diseños en idénticas condiciones. 120/203

121 En el presente Trabajo, el tipo de resultados obtenidos en estas simulaciones comparan las temperaturas en un punto definido de la hoja del PCM, o de la temperatura de la capa de aire a una altura determinada, como se definió previamente, y se contabilizan los flujos de calor que entran y salen de la fachada. En este sentido, sí serían válidos los métodos utilizados en [15]. Para un modelo concreto de fachada, los resultados obtenidos pueden visualizarse como en la Figura 20, donde para la variación rt35, se obtienen los datos de temperaturas para las sondas de Aire y PCM, y la entrada (Inlet) y salida (Outlet) de la cámara de aire. La temperatura del PCM está notablemente influenciada por el efecto de la radiación solar, y es la principal responsable del calentamiento del aire en su ascenso por la cámara ventilada. Los resultados numéricos obtenidos para el conjunto de fachadas estudiadas pueden representarse gráficamente como se muestra en las Figura 21 y Figura /203

122 20-60-rt35 TEMPERATURAS 320 Aire Inlet PCM Outlet Temperatura (K) Tiempo (horas) Figura 20: rt35. Temperaturas obtenidas en las simulaciones. En la comparativa de la Figura 21, donde se representan las temperaturas alcanzadas por la sonda del PCM en los distintos diseños de fachada, puede apreciarse cómo las fachadas PCMH y rt35 alcanzan temperaturas máximas menores que el resto de fachadas, y que el resto alcanzan máximos muy aproximados entre sí. También se aprecia que aquellas se calientan y enfrían con cierto retraso en comparación con el resto, el cual que recorre un pasillo de temperaturas notablemente estrecho. 122/203

123 Comparativa configuraciones fachada Temperaturas PCM 325 Temperatura (K) Tiempo (horas) rt rt35q rt rt35q PCMH rt PCM rt35 Figura 21: Comparativa configuraciones fachada. Temperaturas PCM. En la Figura 22 se aprecia que las temperaturas alcanzadas por el aire en el punto evaluado son más dispersas, con un diseño (20-30-rt35) que alcanza claramente mayores temperaturas máximas y se mantiene por encima del resto de las fachadas en todo momento, mientras el resto del grupo tiene una distribución en un intervalo mayor de temperaturas que en la capa de PCM (Figura 21). 123/203

124 Comparativa configuraciones fachada Temperaturas Aire Temperatura (K) Tiempo (horas) rt rt35q rt rt35q PCMH rt PCM rt35 Figura 22: Comparativa configuraciones fachada. Temperaturas del Aire. Estos análisis de temperaturas proporcionan una idea del sentido en el que circulan los flujos de calor con los ciclos día/noche, que son los que mayor interés tienen a la hora de evaluar la eficiencia de las fachadas, y en base a los cuales se definirán un conjunto de coeficientes, que evalúan numéricamente los comportamientos de las distintas variaciones de fachadas. 124/203

125 Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) Un primer Coeficiente de Calor Expulsado (CCE1) utiliza los valores netos de intercambios de calor en la fórmula (23), página 120, integrados para el período de tiempo simulado. Esto implica que si en una zona de control el calor circula unas veces hacia dentro del sistema, y otras hacia fuera, como consecuencia de variaciones en las temperaturas relativas de dicha zona y el entorno, la magnitud absoluta del calor intercambiado se verá reducida, puesto que se considera todo intercambio en valor neto. Se calcula como sigue: CCE 1= [Heat Flux Outlet ] [Heat Flux Inlet ] [ Heat Flux Exterior ] (24) Coeficiente de Calor Expulsado 2 (CCE2) o Coeficiente del Aire Para definir el coeficiente de forma más acorde con el objetivo de comparación, en el Coeficiente de Calor Expulsado 2 (CCE2) se tiene en cuenta todo el calor que en algún momento ha entrado por la hoja exterior de la fachada, independientemente de que finalmente acabe evacuado por el aire o por la misma hoja de la fachada hacia la calle. Esto se hace sumando únicamente el calor en sentido entrante por la capa exterior de la hoja exterior de la fachada. Este coeficiente no tiene en cuenta el calor evacuado hacia el exterior directamente, a pesar de que éste contribuye a la finalidad de la fachada de evitar que el calor alcance el interior del edificio. Por esto, podría decirse que este coeficiente evalúa la influencia del espesor de la cámara de aire y de la variación el el caudal de aire sobre el calor expulsado con el mismo por su parte superior. 125/203

126 Como consecuencia,, este coeficiente tiene utilidad más en el sentido de evaluar la idoneidad de un diseño con vistas a la evacuación de calor por medio del aire caliente que se expulsa por la parte superior de la cámara. CCE 2= [Heat Flux Outlet ] [ Heat Flux Inlet ] [Heat Flux Exterior ] (25) ent Coeficiente de Calor Interior (CCI) Puesto que lo que se pretende con este tipo de fachadas es evitar (en clima de verano) que el calor del exterior alcance el interior, se calcula un Coeficiente de Calor Interior (CCI), como cociente entre el calor que entra (estrictamente) al interior del edificio y el calor que entra (estrictamente) por la superficie exterior de la hoja externa de la fachada: CCI = ent [Heat Flux Plasteboard ] [Heat Flux Exterior ] (26) Es decir, este coeficiente indica cuánto calor entra al interior del edificio, procedente del exterior. Nótese que este coeficiente tiene valor en el ámbito de este Trabajo, porque se comparan distintas fachadas en iguales condiciones, pero en un caso general, las condiciones del interior del edificio tendrían gran influencia, ya que si hay una generación importante de calor (ocupación humana, maquinaria, etc), se dificultaría la entrada de calor, al disminuir el gradiente de temperaturas, pero la temperatura interior aumentaría como si hubiera entrado calor exterior. El objetivo de evitar la entrada de calor es el confort térmico interior, por lo que esto debería tenerse en cuenta de forma ineludible. 126/203

127 Adicionalmente, al disponer de la cantidad de calor que entra al interior del edificio, también se podría intentar cuantificar las diferencias energéticas y económicas en cuanto a requisitos de refrigeración, pero estos requisitos varían también con otras variables, como ocupación de los locales, presencia de maquinaria que genere calor, etc, por lo que esta evaluación sería parcial, y únicamente atribuible al comportamiento térmico de la fachada, y no sería realista Índice de Inercia Térmica (IIT) Como la fachada tiene una gran inercia térmica (variable según diseño), y el funcionamiento no se produce entre dos estados de equilibrio (inicial y final), el balance de flujos de calor que entran a la fachada y que salen de la misma no es necesariamente nulo. De hecho, lo normal es que no lo sean. Esto se debe a que cuando la fachada absorbe energía y cambian las condiciones térmicas del entorno, disminuyendo la temperatura exterior, comienza a ceder parte del calor acumulado. Pero puede no llegar a ceder todo el calor acumulado antes de que nuevamente aumente la temperatura exterior y comience a almacenar calor nuevamente. Cuanto mayor sea la inercia térmica de una fachada, mayor será el desequilibrio entre el calor que ha entrado en ella y el que ha sido evacuado. Al cociente entre ese desequilibrio y el calor que ha entrado en la fachada se le ha denominado Índice de Inercia Térmica de la fachada. IIT = [Heat Flux Ext ]ent +[Heat Flux Inlet ]ent +[Heat Flux Outlet ]ent [Heat Flux Ext ]ent (27) Teniendo en cuenta que los flujos de calor entrantes son de valor negativo, y los salientes positivos. 127/203

128 Lógicamente, este índice tiene una estrecha dependencia del periodo de tiempo simulado, por lo que variaría con simulaciones más largas o con otros datos climáticos, y no puede considerarse un valor propio ni constante de la fachada, sino únicamente una herramienta comparativa en las circunstancias apropiadas Datos climáticos Una vez validado el modelo, los datos utilizados en su validación ya no son útiles, y hay que seleccionar los adecuados para evaluar el comportamiento de los diferentes diseños de fachadas en determinadas condiciones ambientales. Los datos de entrada necesarios para las siguientes simulaciones son la temperatura sol-aire y la temperatura del aire. El resto de parámetros se consideran constantes (coeficiente de convección exterior, temperatura interior). Los valores numéricos introducidos en las simulaciones como datos de entrada se encuentran en el anexo Propiedades de los PCM alternativos. Para el caso de este Trabajo, se han seleccionado datos ambientales obtenidos del Código Técnico de la Edificación [25], por ser datos climáticos de utilización estandarizada para los cálculos del cumplimiento de sus correspondientes documentos. Se ha seleccionado la villa de Madrid, con una clasificación climática D3, es decir, severidad climática de invierno tipo D (hasta E ), y severidad climática de verano tipo 3 (de 4), y se han hecho las simulaciones para un clima de verano. No es el clima de verano más adverso, pero se ha seleccionado así porque es un clima con necesidad tanto de refrigeración en verano como de calefacción en invierno, por lo que se puede completar este Trabajo con la correspondiente 128/203

129 simulación para el clima de invierno, y comparar los resultados obtenidos con el clima de verano, para obtener un término adecuado entre los diseños óptimos para cada caso. Con estos datos se ha calculado una temperatura sol-aire, como en el apartado de validación, para simplificar la resolución de ecuaciones por parte del software y reducir la carga de cálculo y tiempo de resolución. A pesar de contar en estos datos climáticos con valores de radiación separados para la radiación difusa y directa horizontales, se ha optado por unificarlas para los cálculos, por dos motivos. El primero es que al estar la fachada en posición vertical, habría que obtener la radiación incidente sobre una superficie vertical a partir de estos datos, y el segundo es que en la mayoría de los casos, no se dispone de estos dos datos por separado, sino que el único dato disponible es la radiación horizontal total. De esta manera, unificándolas en un único parámetro, se realiza un proceso aplicable a los datos disponibles en un caso general. A partir de este dato de radiación horizontal global, aplicando los métodos de Duffie y Beckman [12] y el modelo de Erbs et al. [13], se obtienen las diferentes componentes de la radiación solar, a saber, radiación difusa, radiación directa, radiación circunsolar, y brillo del horizonte (radiación procedente del horizonte bajo), y con éstas, la radiación global sobre una superficie inclinada, como la fachada. Además de la radiación solar medida (obtenida de los datos del CTE, como se ha comentado anteriormente), para poder calcular su incidencia sobre una fachada vertical (o inclinada, en un caso general) con una orientación concreta (Sur en este caso), es necesario conocer la posición relativa del sol en cada hora de cada día simulado, ya que el ángulo de incidencia será distinto a medida que avancen las 129/203

130 horas de un día, y cada día será distinto a los días anteriores y posteriores (distintas horas de salida y puesta del sol, distinta altura alcanzada por el mismo en su recorrido aparente por el cielo). Para seleccionar las fechas cuyos datos se utilizarán en las simulaciones, ha de elegirse una semana representativa. Esto es, una semana en la que se alcancen los valores estadísticamente promedio para una estación (verano). En el caso de Madrid, estas fechas son del 22 al 28 de julio. Como los datos disponibles son con intervalos de una hora, el timestep seleccionado será ese mismo, evitando así tener que interpolar datos intermedios y aumentar innecesariamente el tiempo de cálculo de las simulaciones. Para cada hora, se calcula la posición del sol, y con ésta, el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre la fachada, conocidas su orientación e inclinación. Con este ángulo y la radiación solar obtenida del modelo de Erbs et al. [13], y con la temperatura del aire, se obtiene la temperatura sol-aire buscada Cálculo de los parámetros posicionales solares para cada hora La Tierra presenta dos movimientos principales, la rotación y la traslación. La primera es la responsable de la sucesión del día y la noche, y la segunda, de la variación de las estaciones del año, como consecuencia de la inclinación de su eje de rotación respecto al plano de traslación (conocido como plano de la eclíptica). También presenta otros movimientos, como el de precesión o el de nutación, que no se definirán por tener importancia e influencia residual para los objetivos de este desarrollo. 130/203

131 En su movimiento de traslación alrededor del Sol, la Tierra describe una órbita elíptica, en uno de cuyos focos se sitúa el Sol, y el tiempo necesario para completar una vuelta completa es de aproximadamente un año (365,25 días). Sin embargo, la excentricidad de esta órbita es de sólo 0,017, por lo que aunque la distancia entre la Tierra y el Sol no es constante, sufre pocas variaciones. El eje de rotación de la Tierra no es perpendicular al plano de la eclíptica, sino que tiene una inclinación de unos 23,45º respecto a su normal. Es esta la causa de la existencia de las estaciones del año, y no la mayor o menor cercanía entre Sol y Tierra. Al variar el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre los hemisferios terrestres, varía la cantidad de energía recibida. Puesto que la Tierra está en una posición distinta en su órbita alrededor del Sol cada día del año, y en función de lo dicho respecto a la inclinación de su eje de rotación, se deduce que el recorrido aparente del Sol en el cielo de un punto dado de la Tierra también será distinto, así como su hora de salida y ocaso, y por esto es imprescindible hacer cálculos particularizados para cada fecha considerada. Asimismo, el ángulo formado por el plano ecuatorial terrestre y por la línea que une los centros del Sol y de la Tierra, conocido como declinación solar (δ), varía con la traslación. Sin embargo, para los fines perseguidos en este Trabajo, se puede considerar que su variación a lo largo de un día es despreciable. Se puede obtener de la siguiente forma: δ=23,45º sen (360 º 284+n ) 365 Donde n es el día del año (de 1 a 365). Este valor es de 0º en los equinoccios, y de 23,45º en los solsticios. 131/203 (28)

132 Como variable horaria a lo largo del día, se considera el ángulo horario ω, que representa la diferencia entre el tiempo solar y el mediodía solar, expresado en grados. ω=(t s 12 h ) 15(º / h) (29) Siendo ω el tiempo solar en grados, y ts el tiempo solar (la hora solar). El valor del ángulo horario es negativo antes del mediodía solar, cero en el mediodía solar (cuando el Sol está más alto), y positivo tras el mediodía solar. El valor de 15 º/h es el factor de conversión de horas a grados. Al rotar la Tierra 360º en 24 horas, cada hora gira un ángulo de 15º. La hora solar ts para una localización concreta se puede calcular a partir de la longitud del punto y la zona horaria de la siguiente manera: t s =t c + λ Z +E c 15 º /h (30) Donde tc es la hora local o civil, λ es la longitud en grados, Zc es la zona horaria respecto a GMT en horas (negativo al Oeste), y E es la ecuación del tiempo, que se describe a continuación. La ecuación del tiempo contabiliza los efectos de la inclinación del eje de rotación respecto al plano de la eclíptica, y la excentricidad de la órbita terrestre: E =3,82 ( 0, , cos(b ) 0, sin(b ) 0, cos(2b ) 0,04089 sin(2 B ) ) Calculándose el parámetro B de la siguiente forma: 132/203 (31)

133 n 1 B =360 º 365 (32) Siendo n el día del año. Para calcular el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre una superficie de una orientación genérica, se utiliza la siguiente expresión, donde el ángulo de incidencia calculado es el ángulo entre la radiación incidente y la normal de la superficie afectada: cos(θ)=sin δ sin φ cosβ sin δ cos φ sin β cos γ+cosδ cos φ cosβ cos ω +cosδ sin φ sin β cos γ cosω+cos δ sinβ sin γ sin ω (33) Donde θ es el ángulo de incidencia (º) δ es la declinación solar (º) ϕ es la latitud del lugar (º) β es la inclinación de la superficie (º) γ es el azimut de la superficie (º) ω es el ángulo horario (º) Otro parámetro necesario es el ángulo zenital, el ángulo entre el zénit y el Sol. Este valor es 0º cuando el Sol está directamente en la vertical del punto considerado (zénit del punto), y 90º cuando el Sol está en el horizonte. cos θz =cos φ cos δ cos ω+sin φ sin δ (34) Siendo θz el ángulo zenital Cálculo de los parámetros de radiación Para el ámbito de este documento, se puede considerar que el Sol emite una cantidad constante de radiación (Constante solar Gsc, 1,367 kw/m2). Sin embargo, la variación de su distancia con la Tierra hace que la radiación recibida por ésta sufra variaciones. 133/203

134 Adicionalmente, la atmósfera terrestre absorbe parte de la radiación que le llega, disminuyendo así la incidente en la superficie terrestre Radiación extraterrestre normal y horizontal La radiación extraterrestre normal Gon es la radiación que recibiría una superficie horizontal perpendicular a los rayos solares fuera de la atmósfera terrestre, y se calcula mediante la siguiente expresión: ( G on =G sc 1+0,033 cos 360 n 365 ) (35) Donde Gon es la radiación normal extraterrestre [kw/m 2] Gsc es la constante solar [1,367 kw/m2] n es el día del año (1 a 365). Para calcular la radiación extraterrestre horizontal G o, definida como la cantidad de radiación solar recibida por una superficie horizontal en el exterior de la atmósfera, se utiliza la ecuación G o=g on cosθz (36) Siendo θz el ángulo zenital. Puesto que a cada momento este valor varía con las posiciones relativas de los dos cuerpos celestes, y en las simulaciones se va a utilizar un timestep de 1 h, se integra este valor para el intervalo horario al que corresponde, obteniendo el valor medio para el mismo: π ( ω 2 ω 1) 12 G o= π G 0 n cosφ cosδ ( sin ω 2 sin ω 1 ) + sin φ sin δ 180 º [ ] (37) Donde G0 es la radiación horizontal extraterrestre integrada en el intervalo [kw/m 2] 134/203

135 G0n es la radiación normal extraterrestre [kw/m 2] ω1 es el ángulo horario al inicio del intervalo [º] ω2 es el ángulo horario al final del intervalo [º] Índice de claridad kt Las medidas de radiación solar se realizan en la superficie terrestre, bajo la atmósfera, y como se ha comentado anteriormente, debido a la absorción de la atmósfera, es un valor menor. La relación entre la radiación solar que alcanza la superficie de la Tierra y la radiación extraterrestre horizontal se conoce como el índice de claridad, kt; kt = G G0 (38) Componentes de la radiación solar Como consecuencia de su paso a través de la atmósfera, parte de la radiación que llega a la Tierra es dispersada en todas direcciones, de forma que una parte llega directamente a la superficie, y otra parte de forma indirecta, la radiación difusa. La radiación difusa llega a un punto desde todas las direcciones del cielo, y no crea sombra. La suma de la radiación directa y la difusa se define como radiación solar global: G =G b +G d (39) Siendo Gb la radiación directa (del inglés beam radiation) y Gd la radiación difusa (del inglés diffuse radiation), ambas en kw/m2. 135/203

136 Esta diferencia es importante, porque la radiación directa tiene mucha mayor influencia sobre la orientación de la superficie, por provenir de una única dirección, además de ser de mayor magnitud. Como se ha elegido un método que parte de datos de radiación horizontal globales, por ser los de más amplia difusión, se utiliza la relación de Erbs et al. [13] para separar la componente difusa Gd de la global G, como función del índice de claridad de la siguiente manera: Gd G { 1,0 0,09 k t for k t 0, = 0,9511 0,1604 k +4,388 k 16,638 k +12,336 k t t t t 0,165 4 for 0,22 <k t 0,80 for k t >0,80 } (40) Para cada intervalo, se calcula la radiación difusa Gd a partir del índice de claridad kt, y por diferencia con la radiación global horizontal G, la radiación directa Gb Índice anisotrópico, Rb y f La radiación difusa se puede clasificar en tres componentes: Una componente isotrópica, que proviene de todas las partes del cielo por igual, una componente circunsolar que proviene de la dirección del Sol (pero no directamente de él), y una componente del brillo del horizonte. El índice anisotrópico Ai es una medida de la transmitancia atmosférica de la radiación directa. Este valor se utiliza para estimar la magnitud de la radiación circunsolar o radiación dispersa directa. Se calcula mediante la expresión: Ai = Gb G0 136/203 (41)

137 El parámetro Rb representa la proporción entre la radiación directa sobre una superficie inclinada respecto a la radiación directa sobre una superficie horizontal: R b= cos θ cos θz (42) Y el factor f se utiliza para evaluar el brillo del horizonte, de donde proviene más radiación que del resto del cielo. Está relacionado con la nubosidad y se evalúa mediante f= Gb G (43) Modelo HDKR El modelo HDKR calcula la radiación global incidente en la superficie inclinada (fachada) con la siguiente ecuación: G t =( G b +G d Ai ) R b +G d ( 1 Ai ) ( 1+cosβ 1 cosβ β 1+ f sin3 +G ρg )[ ( )] ( ) (44) Donde β es la inclinación de la superficie sobre la que incide la radiación [º] ρg es la reflectancia terrestre o albedo [%] Este valor de Gt es el que se utiliza en el cálculo de la temperatura sol-aire Cálculo de la temperatura sol-aire Con la radiación solar obtenida, junto con los datos de temperatura del aire, absortividad (α=0,85) y coeficiente de convección (hcr=12 W/(m2 K)) se aplica la ecuación (14), explicada en la página 56. Esta es la temperatura que se aplicará en la superficie exterior de la capa de PCM. 137/203

138 Selección de datos La temperatura sol-aire así calculada muestra un comportamiento similar al medido en los ensayos PASLINK, habida cuenta de las diferencias entre ellas, puesto que los datos de los ensayos PASLINK corresponden a radiación horizontal, mientras que los calculados son sobre la superficie vertical de una fachada. Sin embargo, debido a ciertas deficiencias en los modelos utilizados para calcular la radiación solar, las horas cercanas a la salida y puesta del sol en dos de los días seleccionados muestran pequeñas anomalías (ver Figura 34: Resultados HDKR cuatro días en el anexo 14.2 Gráficos, página 193) que desaconsejan el uso de esos datos, por lo que se ha optado por seleccionar los dos últimos días calculados. Como en las simulaciones se van a utilizar tres días, y las primeras 24 horas se descartan como se ha explicado anteriormente, se han repetido los datos de uno de los días para obtener los tres necesarios (ver Figura 35: Selección HDKR tres días. en la página 193 del mismo anexo anterior. Esta opción es perfectamente válida, porque los datos corresponden con un clima real, y la finalidad es comparar diseños de fachadas, no una predicción exacta de temperaturas. Igualmente se podría haber seleccionado un único día y repetirlo cuantas veces fuera necesario. Todas estas prácticas son habituales en este tipo de simulaciones, puesto que son un modelo idealizado de un sistema físico real, y por tanto, incluyen numerosas simplificaciones. 138/203

139 7.2.5 Datos de los PCM alternativos PCM de alta entalpía El PCM de alta entalpía se ha calculado con un comportamiento análogo al RT-35 en cuanto a temperaturas de los tramos de comportamiento, pero con una entalpía de fusión el doble de la del RT35. Este PCM se ha bautizado en este trabajo como PCMH. Los datos de este PCM se han calculado de forma que el área bajo la parábola mayor, correspondiente al proceso de fusión-solidificación, sea el doble que la del RT-35, es decir, que tenga una entalpía doble que la del RT-35. Se pueden ver los parámetros introducidos en el programa en la Figura 42, página PCM de alta temperatura de fusión El PCM de alta temperatura (PCM42) se ha calculado con el mismo comportamiento térmico que el RT35, pero elevando su temperatura de fusión desde los 35ºC del RT35 hasta los 42ºC. Así, sólo se han trasladado los puntos correspondientes en los datos experimentales para calcular los parámetros a introducir en STAR-CCM+. correspondientes se presentan en la Figura 41, página /203 Los datos

141 CAPÍTULO 8 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 141/203

143 8 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 8.1 Resultados y discusión de la validación En la Figura 23 (página 143) se puede ver una comparación de los datos obtenidos en la celda PASLINK (en azul) y los obtenidos con diversas variaciones de ajuste del modelo. Figura 23: Temperaturas de validación del PCM. Asimismo, en la Figura 24 se muestran las temperaturas de PASLINK del aire y las obtenidas con varios ajustes del modelo. 143/203

144 Figura 24: Temperaturas de validación del aire. Un modelo perfecto ofrecería resultados completamente coincidentes con una realidad perfecta, pero en la realidad se producen errores en las medidas, y se desconocen o no se comprenden lo suficiente multitud de fenómenos físicos, por lo que es habitual encontrar diferencias entre las predicciones y cálculos realizados en base a una teoría, y los fenómenos reales. En este caso, el modelo será tanto más válido cuanto más se aproximen sus resultados a los obtenidos en la celda PASLINK. Se comparan las temperaturas de la hoja de PCM y de la cámara de aire en un punto concreto, correspondiente a la localización aproximada de las sondas instaladas en la probeta real, y se representan en las figuras anteriores, donde pueden verse los resultados de la celda PASLINK en azul grueso, y una serie de varias simulaciones correspondientes a variaciones en parámetros del modelo. La finalidad de esto es averiguar cuál de los parámetros produce la mayor aproximación. 144/203

145 En el caso de las temperaturas del PCM, los resultados son muy aproximados a los buscados, siendo sus mayores diferencias las temperaturas máximas alcanzadas en cada ciclo de calentamiento, y unas pequeñas diferencias en los procesos de enfriamiento. Estas diferencias son aceptables, y observando la evolución de las temperaturas, en comparación con la del PCM, se puede afirmar que el modelo sigue un comportamiento análogo a la probeta PASLINK. Las temperaturas del aire presentan mayores diferencias, debidas a un desfase de los ciclos de calentamiento y enfriamiento respecto a los resultados del PASLINK, retrasándose. Los valores de temperaturas máximas y mínimas son incluso más cercanos que en el caso del PCM, pero se encuentran siempre retrasados. Se realizaron durante meses varias decenas de modelos y variaciones en los ajustes de los mismos, con la finalidad de identificar la causa de este retraso, sin éxito, por lo que no se puede ofrecer una explicación a este resultado. Sin embargo, como proceso de validación ofrece las garantías suficientes como para afirmar que el modelo configurado se comporta de forma análoga a como lo hace la fachada ensayada en la celda PASLINK, y como la finalidad de este Trabajo no es la obtención de predicciones numéricas precisas, sino la comparación de comportamientos entre diferentes diseños de fachadas, se considera que la validación es exitosa y el modelo utlizable. Todos los errores que pueda cometer este modelo en sus predicciones, serán de igual magnitud y sentido para todos los diseños, por lo que en el proceso de comparación serán automáticamente anulados sin necesidad de identificarlos ni cuantificarlos, y no tendrán relevancia. 145/203

146 8.2 Resultados del análisis paramétrico Las simulaciones finales se han realizado mediante el Servicio General de Informática Aplicada a la Investigación de la UPV/EHU [35], con el envío de trabajos al cluster de cálculo denominado Arina. En la Tabla 2 se presenta un resumen de todos los resultados expuestos en este Trabajo, y se desarrollan más adelante. Contiene los valores netos de calor intercambiado por las superficies de enlucido interior, entrada de aire, salida de aire y superficie exterior de la fachada, el calor ganado por el aire a su paso por la cámara ventilada, y la temperatura media del aire en la entrada y salida de la misma. Finalmente, se presentan los coeficientes con su valor numérico. En los siguientes apartados se presentan por separado estos resultados. Fachada Heat Flux 5-int Heat Flux Inlet Heat Flux Outlet Heat Flux Exterior Qganado,aire T med inlet T med outlet CCe1 CCe2 CCe3 IIT CCI rt rt rt35q rt35q PCMH PCM rt rt Tabla 2: Resultados numéricos de las simulaciones: Coeficientes, Temperaturas medias y Calor Intercambiado. 146/203

147 8.2.1 Temperaturas del aire Comparativa configuraciones fachada Temperaturas del Aire 310 Temperatura (K) Tiempo (horas) rt rt35q rt rt35q PCMH rt PCM rt35 Figura 25: Resultados: Temperaturas del aire. La Figura 25 presenta la evolución de las temperaturas del aire en la cámara ventilada en la localización de la sonda, en la parte alta de la misma, para las últimas 48 horas de simulación, únicos datos que se tienen en cuenta para los cálculos y evaluación de resultados. Se aprecia una cierta dispersión de las mismas para los distintos modelos, con diferencias entre los máximos de hasta 5 K. 147/203

148 8.2.2 Temperaturas del PCM Comparativa configuraciones fachada Temperaturas del PCM 320 Temperatura (K) rt rt35q Tiempo (horas) rt rt35q PCMH rt PCM rt35 Figura 26: Resultados: Temperaturas del PCM. En la Figura 26 se presenta la evolución de las temperaturas del PCM en las últimas 48 horas de simulación. La mayoría de modelos presentan un comportamiento similar, con poca diferencia entre ellas, encontrándose dos modelos con un comportamiento más diferenciado. 148/203

149 8.2.3 Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) Con estas premisas, se obtienen los resultados siguientes: El primer detalle llamativo en estos resultados (Figura 27) es que todos los coeficientes menos uno son mayores que la unidad, lo que implicaría que el aire de la cámara expulsaría más calor que el admitido por la hoja exterior de la fachada. Una primera explicación a esto sería que una buena cantidad de calor hubiera atravesado la fachada desde el interior del edificio hasta llegar a la cámara de aire, calentándolo. Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) 1.6 C. Calor Expulsado rt rt35q20-60-rt rt35q PCMH PCM rt rt Figura 27: Coeficiente de Calor Expulsado 1 (CCE1) Sin embargo, la causa de estos valores es bien distinta. Al estar la hoja exterior expuesta a la intemperie, está directamente sometida a las variaciones de temperatura del aire exterior. Al cesar la insolación y caer la noche, la temperatura exterior baja rápidamente. 149/203

150 Adicionalmente, esta hoja, al estar formada por PCM, tiene una gran inercia térmica, por lo que cuando la temperatura exterior desciende, todavía tiene gran cantidad de calor acumulado. En este momento, se encuentra en su superficie exterior en contacto con el aire de la calle frío, y en su superficie interior, la que da a la cámara de aire, en contacto con ese mismo aire que entra frío a ésta, que circula forzado, absorbiendo parte de su calor. Por tanto, la hoja exterior cede calor por las dos superficies. Este calor se ha contabilizado inicialmente como calor entrante, y ahora se está contabilizando como aire saliente, lo que reduce el valor absoluto de la magnitud del calor intercambiado por la superficie exterior. Esto puede comprobarse en la Figura 28, donde los valores negativos son entrantes a la fachada, y los positivos salientes. Calor (W) Intercambios de calor hoja exterior Tiempo (horas) Figura 28 Flujos de calor por la superficie exterior rt35. Estos intercambios son análogos en todos los diseños de fachada, como puede verse en la Figura /203

151 Por tanto, este coeficiente carece de utilidad práctica, y se presenta como explicación auxiliar para el cálculo del CCE2. Intercambios de calor hoja exterior rt rt35q rt PCMH rt35q20-60-PCM Calor (W) Tiempo (horas) Figura 29: Intercambios de calor en la hoja exterior de todas las fachadas. 151/203 72

152 8.2.4 Coeficiente de Calor Expulsado 2 (CCE2) o Coeficiente del Aire Estos valores (Figura 30) ya son todos inferiores a la unidad, lo que indica que el aire evacua únicamente una fracción del calor que entra por la hoja exterior. Coeficiente de Calor Expulsado 2 (CCE2) o Coeficiente del Aire 0.9 C. Calor Expulsado rt rt35q20-60-rt rt35q PCMH PCM rt rt Figura 30: Coeficiente de Calor Expulsado 2. Valores. Se observa una diferenciación en dos grupos principales, por un lado,los cuatro primeros, con valores superiores a 0,74 y por otro el resto, con valores cercanos a 0,60. Las primeras facilitan más la cesión de calor al aire, mientras que las segundas lo retienen en la parte exterior (hoja de PCM), evacuándolo directamente al exterior en mayor proporción. 152/203

153 8.2.5 Coeficiente de Calor Interior (CCI) Coeficiente de Calor Interior(CCI) Coeficiente de Calor Interior rt rt35q20-60-rt rt35q PCMH PCM rt rt Figura 31: Coeficiente de Calor Interior. Valores. Sobresale como menos eficiente el resultado correspondiente a rt35, que indica que en comparación con el resto de fachadas, es la que más calor deja pasar al interior del edificio. Se repite que este coeficiente tiene sentido únicamente en el ámbito de este Trabajo, y para las condiciones térmicas utilizadas, no como valor absoluto o propiedad de la fachada exportable a otras condiciones. 153/203

154 8.2.6 Índice de Inercia Térmica (IIT) Índice de Inercia Térmica Indice de Inercia Térmica rt rt35q20-60-rt rt35q PCMH PCM rt rt35 Figura 32: Índice de Inercia Térmica. Valores. Al igual que en el CCE2, se observa una diferenciación en dos grupos, formados cada uno por el mismo subconjunto de diseños que aquel. Además, estos resultados corroboran la mayor inercia térmica del segundo grupo, que calienta menos el aire de la cámara ventilada. 154/203

155 8.3 Discusión Se toma como referencia el valor de la fachada ensayada den el PASLINK (20-60-rt35), porque es sobre la que se han realizado las modificaciones individuales Evacuación del calor mediante el aire El CCE2 tiene aplicación en la evaluación de los diseños de las fachadas con vistas al la evacuación del calor mediante el aire que sale por la parte superior de la cámara ventilada. A la vista de los resultados, uno de los diseños presenta ventajas frente al resto, al tener un CCE2 claramente más alto que los demás, y por encima del valor de referencia (0.85 sobre 0.78). Es el rt35q+, es decir, el diseño ensayado de la fachada con un aumento en el caudal de aire de un 20%. La disminución del caudal de aire (20-60-rt35q-) tiene efectos similares al de la reducción del espesor de dicha cámara (20-30-rt35) (0.73 y 0.74 respectivamente), empeorando respecto al valor de referencia (0.78), y por debajo de la media están la sustitución del PCM por uno de mayor capacidad térmica (0.59) y el aumento del espesor de la cámara de aire (0.57). Por tanto, para poder evacuar mayor cantidad de calor mediante la cámara de aire, la mejor modificación, de entre las simuladas, y respecto al diseño original, es el aumento del caudal de aire. Asimismo, esto implica que ésta sería la mejor opción si el objetivo es el aprovechamiento del calor evacuado por el aire, por trasegar mayor cantidad. 155/203

156 Sin embargo, si el objetivo buscado es el salto térmico, no es la mejor opción. Consultando la Figura 25, página 147, donde se representan las temperaturas del aire en la cámara ventilada para las distintas fachadas, el diseño con aumento de caudal produce aire a una temperatura similar al resto de modelos, con dos salvedades. La primera es que en las horas sin insolación, su temperatura desciende más que la media, y alcanza el segundo valor más bajo de entre todos los modelos, sólo mayor que la variación que supone aumentar el espesor de la cámara ventilada (20-90-rt35). La segunda salvedad es que hay dos variaciones que producen aire más caliente que ésta, una de ellas de forma notable: rt35, es decir el modelo original. En cuanto a obtener aire caliente, el mejor resultado se obtiene dejando intacto el diseño ensayado en la celda PASLINK, para todo el tiempo simulado (de entre las opciones estudiadas, se entiende). Sin embargo, la temperatura promedio para todo el tiempo de simulación del aire a la salida de la cámara ventilada de todos los diseños es prácticamente la misma, con variaciones de aproximadamente un grado, inferiores al medio grado en la mayoría, por lo que el aprovechamiento del posible salto térmico sólo puede realizarse en las horas de mayor insolación. El siguiente paso en este sentido sería estudiar la influencia de distintos grados de aumento del caudal de aire para encontrar el óptimo, puesto que habrá un límite superior por encima del cual no se produzca incremento aprovechable de la temperatura del aire, aunque éste sí haya absorbido calor Calor que entra al edificio El CCI proporciona información sobre la influencia del ambiente exterior en el interior del edificio, con información sobre el calor exterior que consigue alcanzarlo. 156/203

157 En la forma en la que está calculado, cuanto mayor sea el coeficiente, mayor será la cantidad de calor que entrará en el edificio, y mayores serán los consumos de refrigeración y acondicionamiento de aire para mantener un confort térmico adecuado. A la vista de los resultados, la fachada con menor espesor de hoja del PCM (20-30-rt35) es notablemente la peor, con un 13% de calor que llega al interior, mientras que las fachadas con un PCM de alta capacidad (20-60-PCMH) o con aumento de la cámara de aire (20-90-rt35) o de espesor de PCM (50-60-rt35) son las que proporcionan mejor resultado, con valores de 0.03 frente a una media de 0.05 del resto. Este resultado es esperable, puesto que el aumento del espesor de la capa de PCM y la sustitución de un PCM por otro de mayor capacidad proporcionan una mayor inercia térmica a la fachada, y el aumento del espesor de la cámara de aire proporciona un aislamiento extra, mientras que la hoja de PCM exterior proporciona sombra a la hoja de aislante, evitando el calor por radiación. Siendo la finalidad únicamente el confort térmico, entre estas tres alternativas se debería elegir aquella más barata en cuanto a materiales y montaje, siempre que las características del edificio permitan esta elección. Presumiblemente, la opción más barata entre las analizadas sería conservar la hoja original de PCM y aumentar el espesor de la cámara de aire (20-90-rt35). En lo relativo al aumento del espesor de la cámara de aire y su relación con la mejoría del rendimiento térmico, se llega a la misma conclusión que Diarce et al. [11]. 157/203

158 8.3.3 Inercia Térmica de la Fachada Finalmente, el IIT proporciona un medio de comparación entre la inercia térmica de distintos diseños, sin que ello pueda aplicarse de forma extensiva a otras valoraciones, debido a las limitaciones anteriormente mencionadas en su descripción. En este índice, todas las fachadas menos una son mejores que el diseño original (tienen más inercia térmica), y se pueden clasificar en dos grupos, uno de gran mejoría, y otro de mejoría moderada. El grupo de gran mejoría comprende el PCM de alta capacidad, y los anchos extra de la cámara de aire y de la hoja de PCM, y el resto aportan una mejoría moderada. Siendo así, se comprueba en los resultados que las fachadas con mayor inercia térmica son las mismas que en el apartado anterior proporcionaban mejor confort térmico interior, a saber, PCMH, rt35 y rt35, confirmando que estas variaciones aumentan la inercia térmica de la fachada, amortiguando las variaciones exteriores y aislándolas en parte del interior del edificio. Esto facilita la tarea de mantener una temperatura constante y evita picos de calor o frío que podrían ser causa de incomodidad para seres vivos o máquinas. Cabe destacar que por otro lado, sólo hay una variación que tiene peor inercia térmica que el diseño original, y es la que supone el aumento del caudal de aire. Esto era esperable, puesto que se está enfrentando a la masa de la fachada continuamente a un caudal de aire que entra invariablemente en las mismas condiciones de la intemperie. 158/203

159 CAPÍTULO 9 CONCLUSIONES 159/203

161 9 CONCLUSIONES Tanto los resultados obtenidos en las simulaciones, como los coeficientes calculados, son consecuencia directa de las presunciones realizadas en el diseño de las fachadas y en los datos climáticos. Adicionalmente, sólo se han simulado las fachadas en un clima de verano. Con una fachada de este tipo se busca principalmente un objetivo, el ahorro energético en climatización de aire. Por tanto, el principal parámetro a optimizar será el calor que finalmente entra al interior del edificio, requiriendo un esfuerzo para evacuarlo por parte de los medios de climatización instalados en el mismo. En cambio, para clima de invierno el parámetro a optimizar sería el calor extraído por el aire que circula por la cámara ventilada, ya que en invierno este aire caliente se podría utilizar para su uso en la calefacción del edificio, o ejercería una función de aislamiento adicional por su presencia en la cámara, que al tener mayor temperatura crearía un menor gradiente térmico con el interior y disminuiría la salida de calor desde el edificio a través de la fachada. Adicionalmente, en cualquier época del año este aire se puede utilizar como aire precalentado en otros procesos, como calderas de ACS. De entre las variaciones analizadas en este Trabajo, tres soluciones han mostrado de forma consistente un mejor rendimiento térmico, dejando pasar la menor cantidad de calor al interior del edificio, y mostrando mayor estabilidad frente a variaciones en las condiciones exteriores. El resto de fachadas forman un grupo más o menos homogéneo, con pocas variaciones, y con prestaciones más modestas. 161/203

162 Estas fachadas son PCMH, rt35 y rt35, es decir respectivamente, usar un PCM de mayor capacidad, aumentar la cámara de aire, o aumentar la hoja de PCM. Las tres dejan pasar entre un 3,2% y un 3,4% del calor que les llega, mientras que el resto permiten alrededor de un 4,8%. Esto supone una mejoría del 33% respecto al diseño original, que deja pasar el 4,8% del calor que le llega. La mejor de las opciones del grupo más modesto representa una mejora de apenas un 2%, y dos de ellas incluso empeoran los resultados. De la misma forma, la inercia térmica del grupo de fachadas que aportan mayores mejoras está entre 0,39 y 0,43, muy superior a la del resto, que oscilan entre 0,15 y 0,29, suponiendo una mejora del 95% respecto al diseño original en el caso del aumento de la cámara de aire, según se ha calculado el Índice de Inercia Térmica. La mejor de las opciones más discretas supone una mejoría de sólo un 9%, correspondiente a la disminución del caudal de aire. Estas tres variaciones sobre el diseño original proporcionan mejoras similares entre sí en el rendimiento térmico, por lo que en principio, cualquiera de ellas sería susceptible de ser seleccionada. Sin embargo, no todas tienen el mismo coste económico. Una misma cantidad de un PCM alternativo de mayor capacidad térmica puede tener un mayor coste, y mayor cantidad de un mismo PCM siempre será más caro, mientras que montar la hoja de PCM unos centímetros más alejada de la hoja de aislante tendrá un impacto mínimo en el coste de la fachada. 162/203

163 Por ello, como norma general, es ésta la opción preferible, siempre que las condiciones del edificio lo permitan en caso de rehabilitación. Si es un edificio nuevo, el diseño bien puede tener en cuenta este parámetro desde las primeras fases, y sigue siendo igualmente la opción más barata. Adicionalmente, la conclusión de que el aumento del espesor de la cámara de aire mejora la eficiencia térmica concuerda con una de las conclusiones de [9], aunque sería interesante identificar el límite superior de este espesor antes de convertirse en un elemento que aísle la hoja de PCM del resto de la fachada. Otra conclusión que puede obtenerse de los resultados obtenidos es que este tipo de fachadas muestran una gran variabilidad en su comportamiento como consecuencia de cambios en un único parámetro de diseño, lo que si bien puede suponer una dificultad añadida a la hora de optimizarlas para un uso concreto, también da una idea de la capacidad de adaptación disponible para diferentes condiciones de funcionamiento. 163/203

165 CAPÍTULO 10 AGRADECIMIENTOS 165/203

167 10 AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha contado con la colaboración del Servicio General de Informática (IZO-SGI) Aplicada a la Investigación (Cálculo Científico), enmarcado dentro del Servicio General de Investigación (SGIker) de la UPV/EHU [44] IZO-SGI SGIker, y con la ayuda de sus técnicos, Dr. Edu Ogando [27] y Dr. Txema Mercero [29], en la obtención de licencias del programa y en el uso del cluster de cálculo Arina de la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea UPV/EHU. Igualmente, el autor de este Trabajo desea agradecer a los dos directores del mismo, Dra. Ane Miren García Romero [30] (Escuela Universitaria de Ingeniería Técnia Minera y de Obras Públicas, UPV/EHU) y Dr. Koldo Martin Escudero [28] (Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, UPV/EHU) la asistencia y ayuda prestada durante su realización. También ha de incluirse en este apartado a D. Gonzalo Diarce, miembro del grupo de Energética en Edificación (ENEDI) de la UPV/EHU, por su aportación de datos experimentales para la validación del modelo. D. Javier Armentia Fructuoso, astrofísico y director del Planetario de Pamplona, ha tenido a bien ceder de forma gratuita el permiso de reproducción de algunas imágenes incluidas en este Trabajo, presentes en la Bibliografía. Salvo por STAR-CCM+, todo este Trabajo de Fin de Grado ha sido realizado utilizando herramientas de software libre: Sistema Operativo GNU/Linux en estación de trabajo personal [32] y en el cluster de cálculo Arina, redacción y cálculos con la suite ofimática LibreOffice [37], edición de imágenes con GIMP [34], búsqueda de información con Firefox [39], y otras herramientas de gestión de tiempo, comunicaciones e información, por lo que el autor también desea agradecer a la Comunidad FOSS su generosa contribución creando herramientas de calidad. 167/203

169 CAPÍTULO 11 APLICABILIDAD 169/203

171 11 APLICABILIDAD Las conclusiones y resultados de este Trabajo son base para posteriores estudios que refinen los parámetros de optimización del diseño de fachadas ventiladas con PCM, así como la confección de un protocolo de cálculo para su aplicación práctica en la rehabilitación energética de edificios existentes, o en la fase de proyecto de nuevas construcciones. En este sentido, las fachadas ventiladas con PCM parecen una buena herramienta para mejorar las condiciones térmicas de los edificios que son rehabilitados, así como en edificios de nueva construcción. Este tipo de mejoras implican no sólo la mejoría en el confort térmico del interior, sino también un ahorro económico para los propietarios y una disminución en el consumo global de energía y emisión de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Por esto, la mayoría de construcciones con un cierto número de años son susceptibles de beneficiarse de una rehabilitación energética, así como todas aquellas que por sus condiciones de conservación requieran una obra importante. Adicionalmente, con pequeñas modificaciones en el diseño de una fachada de este tipo se pueden obtener variaciones de cierta entidad en el comportamiento global de la misma, lo que hace que las fachadas ventiladas tengan una buena capacidad de adaptación a distintos requerimientos climáticos y térmicos. El coste de su instalación puede ser aceptablemente reducido, puesto que el diseño concreto estudiado en este Documento está realizado con materiales modulares existentes en el mercado, como son los perfiles de aluminio. El resto de materiales son los habituales en este tipo de construcciones, por lo que no implican dificultades o costes añadidos. Por la misma causa, la vida útil estimada no se reduce en comparación con fachadas realizadas con materiales tradicionales. 171/203

172 Como se comentó en las conclusiones, el comportamiento de la fachada en invierno y en verano difiere bastante, pudiendo ser necesario un dispositivo obturador que impida la circulación del aire por la cámara ventilada en condiciones de invierno, para mejorar su rendimiento térmico. Adicionalmente, y en función de las condiciones climáticas y de diseño, podría aprovecharse el aire caliente para otros usos, como contribución a la calefacción del interior en invierno (bien como calefacción completa, o como precalentamiento para otros medios de climatización), o como precalentamiento de aire para calderas de gas para producción de ACS. 172/203

173 CAPÍTULO 12 FUTUROS TRABAJOS 173/203

175 12 FUTUROS TRABAJOS 12.1 Trabajos complementarios Clima de invierno y climas intermedios En este análisis se ha tenido en cuenta el comportamiento de algunas variaciones en algunos parámetros de diseño de un modelo de fachada ventilada conteniendo PCM en un clima de verano correspondiente a una zona climática concreta, y de la que se han seleccionado datos numéricos correspondientes a una localización concreta. Sin embargo, un edificio está sometido a todo el rango climático del punto donde está situado, desde el más extremo verano hasta el más extremo invierno. Por tanto, para poder asegurar que una variación concreta de parámetros de diseño en este tipo de fachada ventilada es el óptimo para su aplicación en cada caso concreto, debe tenerse también en cuenta su comportamiento en clima de invierno, y comparar sus ventajas e inconvenientes con el de un clima de verano como el utilizado en este Trabajo. En dicha comparación se puede encontrar que la misma variación es la que produce mejores resultados en ambos climas, o más probablemente, que el mejor diseño para un clima de invierno es distinto de aquél para verano. En tal caso, deberían evaluarse las ventajas energéticas de uno y otro en ambos climas, para poder obtener una evaluación del comportamiento a lo largo de todo el año. Esta comparación puede hacerse en términos energéticos, evaluando el ahorro producido en un clima y su contrapartida de requerimiento adicional de energía en el clima opuesto, con la finalidad de maximizar el ahorro neto, o puede hacerse en términos económicos según el coste de la energía. Sin embargo, esta última 175/203

176 aproximación no es la adecuada, ya que el coste de la energía es variable y poco predecible, y sobre todo, porque el objetivo final de las medidas de ahorro y eficiencia energética son la reducción de la emisión de gases de efecto invernadero y del consumo total de energía final. Por tanto, este trabajo debería ser complementado mediante la simulación de los mismos diseños de fachadas en el clima de invierno para la misma localización. Adicionalmente, podría ser interesante la verificación de que los climas intermedios (primavera y otoño) no introducen variaciones fuera de la linealidad previsible entre los resultados obtenidos entre las simulaciones de verano y las de invierno Otros climas En la misma línea de trabajo, se podría evaluar los climas del resto de combinaciones climáticas, o seleccionar las combinaciones climáticas correspondientes a las zonas y ciudades que agrupen mayor cantidad de población, y por tanto, con un mayor potencial de ahorro energético total. Como estudio global, cabría realizar la evaluación de estas fachadas (u otras mejoradas, en su caso), para todas las combinaciones de climas presentes en el Código Técnico de la Edificación, aunque para ello habría que seleccionar ciudades representativas para cada combinación climática, y podría haber variaciones en otras ciudades de la misma zona climática. En cualquier caso, ese estudio tendría una validez general, y seguiría siendo aconsejable el calculo particular para cada cuidad concreta donde se pretenda utilizar este tipo de fachadas. 176/203

177 Caudal de aire En otra línea de trabajo, se pueden realizar estudios para evaluar el límite máximo de caudal de aire en la cámara ventilada que produce efectos en la fachada, dado que es previsible que un caudal excesivamente alto elimine los efectos térmicos de la hoja exterior de PCM y la convierta en un mero parasol para el resto de la fachada. Adicionalmente, se podría estudiar el rendimiento verano/invierno de una fachada que permita la circulación de aire en verano y la bloquee o regule en invierno, de forma automática o estacional, y siempre con atención a las posibles condensaciones. Adicionalmente, un caudal excesivamente algo, podría refrigerar tanto el PCM que llegase a impedir su efecto de acumulación, y formaría una masa de aire a la temperatura del exterior, pero en el interior de la fachada, en contacto directo con la capa de aislante, eliminando de facto la hoja de PCM y reduciendo la inercia térmica y capacidad de aislamiento de la fachada Identificar máxima cámara de aire Una vez que se deduce que la mejor solución es el aumento del espesor de la cámara de aire, sería necesario estudiar el efecto de este aumento, para identificar el límite superior efectivo de este aumento, y la posible existencia de dimensiones intermedias que ofrezcan mejores ventajas comparativas con otras dimensiones Combinación de variaciones Ha de resaltarse que el presente Trabajo compara variaciones una por una respecto a un modelo inicial ensayado en una célula PASLINK, habiéndose identificado los distintos grados de influencia de cada variación sobre el comportamiento global de la fachada. 177/203

178 Sin embargo, podría ser interesante la evaluación de estas variaciones combinadas, con la finalidad de comprobar si distintos tipos de variaciones interfieren entre sí, y en tal caso, si la interferencia es constructiva o destructiva, pudiéndose identificar patrones a perseguir o evitar para producir mayores mejoras con menores costes Puentes térmicos En este trabajo se ha simulado únicamente una fachada simple, sin incluir elementos propios de la estructura de un edificio, como huecos o puentes térmicos de los forjados. Incluir estos elementos podría aportar nuevos conceptos para el análisis que aconsejasen hacer una distribución no homogénea del PCM, aumentando su concentración en las zonas próximas a estos elementos, por ejemplo, o demostrando que este tipo de alteraciones no aportaría mejoras, en su caso. Un caso más diferenciado, en una nueva línea de estudio, podría ser la implementación de PCMs en estos puentes térmicos, especialmente forjados, ya que son las partes de las fachadas por donde mayor cantidad de calor se intercambia con el exterior del edificio, y su reducción podría aportar grandes mejorías con menores cantidades de PCM que la ocupación de toda la superficie de la fachada con éstos Mejoras en el diseño de la fachada Regulación automática del flujo de aire También se pueden evaluar los efectos de una fachada ventilada que incorpore mecanismos automáticos de regulación del caudal de aire, de forma que se regule en función de las condiciones exteriores e interiores del edificio, pudiendo incluso llegar a cerrar el flujo de aire, o configurar una recirculación del mismo. 178/203

179 Varios tipos de PCM Otra línea de trabajo puede ser la implementación de un modelo de fachada con dos tipos distintos de PCM, con distintas temperaturas de fusión, quizá optimizando uno de ellos, el de menor temperatura, a las condiciones climáticas de invierno, y el otro, el de mayor temperatura, a las condiciones climáticas de verano. Por lógica, el de menor temperatura debería ser situado en la parte más exterior, en contacto directo con las condiciones meteorológicas exteriores, y el de mayor temperatura en una zona más interior, pero esto también puede ser sujeto de estudio con la finalidad de demostrar que efectivamente lo que parece más lógico es lo que realmente funciona mejor Capa exterior adicional transparente Uno de los problemas previsibles para los climas de invierno es que la hoja exterior de PCM perdería calor por su lado exterior, perdiéndose la posibilidad de aprovechar éste para calentar el aire de la cámara ventilada. Otra vía de mejora de este tipo de fachadas sería la implementación de mejoras en el diseño para impedir o reducir este fenómeno, como por ejemplo, la adición de una hoja de vidrio, que cumpliría una doble función térmica. Por una parte, retiene el aire que se ha calentado por absorber el calor perdido por la superficie exterior de la capa de PCM, pudiendo aprovecharse este aire caliente canalizándolo. Por otra parte, utilizando el vidrio adecuado, éste sirve de filtro selectivo de radiación, permitiendo que las longitudes de onda largas de la radiación solar, alcancen la superficie exterior de la hoja de PCM, pero impidiendo el paso de las radiaciones de onda corta (infrarrojo) procedentes de la superficie del encapsulado hacia el ambiente exterior. 179/203

180 Esta aproximación es ventajosa, ya que en el espectro de radiación solar incidente en la superficie terrestre, la energía correspondiente a la longitud de onda corta es predominante, mientras que la debida a la longitud de onda larga (infrarrojo) es casi nula, mientras que la emitida por la superficie exterior del encapsulado es principalmente en este rango de longitudes de onda. Así, en pocas palabras, se deja entrar la radiación solar y se impide salir la del encapsulado Canales de aire integrados en PCM Para aumentar el aprovechamiento del calor absorbido por la hoja de PCM con la finalidad de su uso secundario en el edificio (acondicionamiento de aire, precalentamiento en calderas, etc), podría ser interesante la inclusión de canales de aire que atraviesen longitudinalmente la hoja de encapsulado de aire, discurriendo por el corazón del PCM, obteniendo así un calentamiento más rápido y eficiente del mismo, y mejor canalizado para su aprovechamiento. Para ser un método viable, debe estudiarse las dimensiones óptimas de estas canalizaciones, ya que cuando más estrechos sean, mayores serán las pérdidas de carga, y por tanto, mayores los consumos para forzar su circulación, pero por otro lado, cuando mayores sean, más difuminarán el efecto masivo del PCM Optimización del diseño de las aletas La configuración actual de las aletas, si bien crea turbulencias que aumentan el contacto del aire con la superficie de las mismas, aumentando las transferencias de calor entre éstas y el aire, y la difusión del calor así adquirido entre el seno de la corriente aire ascendente, también podría estar impidiendo que estas turbulencias tengan lugar a menor distancia de la superficie vertical del encapsulado, que representa una mayor superficie de contacto y potencial intercambio de calor. 180/203

181 Una forma de mejorar el diseño de estas aletas podría ser la eliminación de pequeñas secciones de forma alterna horizontal y verticalmente (cortando segmentos de unos centímetros), de forma que un canal de aire ascendente pase entre dos aletas en un nivel, pero choque con otra en el nivel superior, produciendo remolinos y turbulencias en la cercanía inmediata de la superficie vertical del encapsulado, en la base de las aletas. Adicionalmente, podría estudiarse también el efecto que podría tener inclinar los tramos restantes alternativamente hacia abajo y hacia arriba, de forma que los inclinados hacia abajo forzarían más la aproximación del aire ascendente hacia la capa de PCM, mientras que el siguiente tramo inclinado hacia arriba lo forzaría a alejarse, creando así turbulencias en el sentido transversal de la cámara de aire, y ampliando la zona de influencia de las mismas a una distancia mayor desde la base de las aletas Tratamiento superficial selectivo Una alternativa, o complemento, en función del coste aceptable de las mejoras y el efecto producido por ellas, a determinar posiblemente por posteriores trabajos, sería la sustitución de la pintura exterior del encapsulado de aluminio por un tratamiento superficial selectivo análogo a los utilizados en los paneles destinados a captadores de energía solar térmica. Estos recubrimientos tienen como característica principal la mejora de las propiedades superficiales frente a la radiación térmica. La menor ventaja que aportan es que aumentan ligeramente la absortividad de la superficie tratada, desde el 0,90 de una pintura negra genérica hasta un 0,95, pero la gran ventaja es que reducen la emisividad de la superficie desde el valor habitual de 0,85-0,95 hasta valores de 0,05-0,15, reduciendo de forma drástica la pérdida de energía en forma de radiación hacia el exterior. 181/203

182 Estas modificaciones del diseño destinadas a limitar la pérdida de calor hacia el exterior (tratamiento superficial selectivo y hoja exterior adicional transparente) son más beneficiosas en climas de invierno, donde lo que interesa es retenerlo para su uso en el edificio, mientras que podrían ser contraproducentes en climas de verano, donde lo que interesa es impedir su ingreso al edificio, reteniéndolo en el PCM y evacuándolo al exterior en cuanto las condiciones lo permiten, para regenerar el estado térmico de la fachada para el día siguiente. Sin embargo, estos supuestos retrocesos en el rendimiento de la fachada podrían ser hipotéticamente contrarrestados con un aumento del caudal de aire forzado en verano, conservando el rendimiento térmico de la fachada. Esto tendría que ser evaluado en otro estudio, así como también se debería contrastar el ahorro energético producido por la fachada y el gasto energético asociado a los mecanismos para forzar la circulación de aire, por si el consumo de los equipos de extracción de aire acabase reduciendo de forma excesiva el ahorro energético debido al comportamiento térmico de la fachada. 182/203

183 CAPÍTULO 13 BIBLIOGRAFÍA Y NORMATIVA 183/203

185 13 BIBLIOGRAFÍA Y NORMATIVA Referencias numeradas [1] Anderson J. D. Jr. Computational fluid dynamics. The basics with applications. NewYork, USA: McGraw-Hill, [2] Annaratone D. Engineering Heat Transfer. Heidelberg (Alemania): Springer, [3] Asociación Nacional de Industriales de Materiales Aislantes(ANDIMA), Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE). Guía práctica de la energía para la rehabilitación de edificios. El aislamiento, la mejor solución.. C/ Madera, Madrid: IDAE, [4] ATECYR. Fundamentos de climatización. Madrid: ATECYR, [5] ATECYR. Guía Técnica. Procedimientos y aspectos de la simulación de instalaciones térmicas en edificios.. Madrid: IDAE, [6] Baker, P.H., Van Dijk, H. (2008) "PASLINK and dynamic outdoor testing of thermal and solar properties of building components" Building and environment, 43, [7] CD-Adapco. User guide STAR-CCM+Version 8.06, 2013,1949 [8] CD-Adapco. User guide STAR-CCM+Version 8.06, 2013, [9] Diarce, G et al. (2013) "Ventilated active façades with PCM" Applied Energy, 109, [10] Diarce, G, Campos-Celador, A., Martin K.,Urresti, A., García-Romero, A.M., Sala J.M. (2014) "A comparative study of the CFD modeling of a ventilatedactive façade including phase change materials" Applied Energy, 126, /203

186 [11] Diarce, G., Garcia-Romero, A., Urresti, A. (2012) "Experimental evaluation of ventilated active façades including phase change materials" III European Conference on Energy Efficiency and Sustainability in Architecture and Planning, 3, 66. [12] Duffie, J.A., Beckman, A.. Solar Engineering of Thermal Processes. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., [13] Erbs D.G., Klein S.A., Duffie J.A. (1982) "Estimation of the Diffuse Radiation Fraction for Hourly, Daily and Monthly-average Global Radiation" Solar Energy, 28, [14] Erkoreka Gonzalez, A. Descripción técnica de la célula de ensayos PASLINK, 2008, [15] Flamant, G., Loncour, X., Wouters, D., L'heureus, D.. Ventilated double façades: Real-scale testing of ventilated double façades. Belgium: Belgian Building Research Institute, 2002(update 2004). [16] García-Romero, A, Diarce, G. Materiales de Cambio de Fase para almacenamiento térmico y su empleo en edificación. En Arquitectura Ecoeficiente, Tomo I. San Sebastian: Servicio Editorial de la UPV/EHU, [17] Janssens, A, Roels, S. Large Test Facilites Book. Bruselas (Bélgica): Dynastee, [18] Patania, F., Gagliano, A., Nocera, F., Ferlito, A., Galesi, A. (2010) "Thermofluiddynamic analysis of ventilated façades" Energy and Buildings, 42, [19] Patankar, S.V.. Numerical heat transfer and fluid flow. Washington, USA: McGraw-Hill, [0] pamplonetario.org < [consulta: ]. [20] Reid, W.V., Mooney, H.A., Cropper, A. et al.. Evaluación de los Ecosistemas del Milenio. : UNEP, /203

187 [21] Sala Lizarraga, J.M.P., Hernández Minguillón, R, Irulegi, O., Aranjuelo Fernández-Miranda, M. (Eds.). Transmisión de calor en edificios. En Arquitectura ecoeficiente, Tomo I. San Sebastián: Servicio Editorial de la UPV/EHU, [22] Alu-Stock SL < [consulta: ]. [23] Ansys FLUENT < ynamics+products/ansys+fluent> [consulta: ]. [24] Clawpack < [consulta: ]. [25] CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN (RD 314/2006, de 17 de marzo) [26] Discretizer < [consulta: ]. [27] Dr. Edu Ogando, [28] Dr. Koldo Martín Escudero, [29] Dr. Txema Mercero, [30] Dra. Ane Miren García Romero, [31] engrid < [consulta: ]. [32] Fedora Project < [consulta: ]. [33] Gmsh < [consulta: ]. [34] GNU Image Manipulation Program < [consulta: ]. [35] Informática Aplicada a la Investigación SGI < [consulta: ]. [36] ISAAC < [consulta: ]. [37] LibreOffice.org < [consulta: ]. [38] Mesh generation with the snappyhexmesh utility < [consulta: ]. [39] Mozilla Foundation - Firefox < [consulta: ]. 187/203

188 [40] Netgen < [consulta: ]. [41] OpenFOAM < [consulta: ]. [42] OpenFVM < [consulta: ]. [43] Rubitherm GmbH < [consulta: ]. [44] SGIker < [consulta: ]. [45] STAR-CCM+ < [consulta: ]. [46] SU² < [consulta: ]. 188/203

189 CAPÍTULO 14 ANEXOS 189/203

191 14 ANEXOS 14.1 Planos y Dibujos Figura 33: Perfil de aluminio utilizado para contener el PCM. Fuente: [22] 191/203

192 14.2 Gráficos En este apartado se presentan algunos gráficos que por comodidad de lectura no se han incluido entre el texto, y se ha hecho referencia a los mismos. Son representaciones gráficas de los resultados obtenidos en los cálculos de los parámetros climáticos para las simulaciones (Figura 34 y Figura 35), y una muestra de los resultados más importantes obtenidos en las simulaciones, tomando como ejemplo los obtenidos para la fachada rt35. Estos ejemplos comprenden temperaturas (Figura 36) flujos de calor (Figura 37) o el registro de residuals durante la simulación correspondiente (Figura 38). Para cada una de las variaciones de fachada se ha obtenido un juego similar de gráficos, pero no se adjuntan porque lo que realmente se utiliza para su evaluación y comparación son los resultados numéricos, recogidos en los cálculos de coeficientes. 192/203

193 Figura 34: Resultados HDKR cuatro días Figura 35: Selección HDKR tres días. 193/203

194 Figura 36: Temperaturas obtenidas en la simulación rt35. Figura 37: Algunos flujos de calor obtenidos en la simulación rt /203

195 Figura 38: Residuals de la simulación rt /203

196 14.3 Fotografías A continuación se presentan algunas fotografías complementarias cuya inclusión entre el texto no era necesaria, pero que por su valor informativo se considera adecuado que acompañen este Trabajo. Figura 39: Llenado de los perfiles de aluminio con el PCM fundido. Fuente: ENEDI Propiedades de los materiales Seguidamente se presentan las principales propiedades físicas de los materiales que se han introducido en el programa STAR-CCM+. Algunas de ellas difieren de las propiedades obtenidas en el ensayo en la celda PASLINK, pero son las que han producido un modelo válido. Como se ha explicado anteriormente, estas diferencias son debidas a que en la realización de un modelo informático se asumen ciertas idealizaciones, para cuya compensación es necesario realizar ajustes en otros parámetros en ocasiones. 196/203

197 Propiedades del PCM RT35 Figura 40: RT35.Cp-T ensayado. 197/203

198 Punto RT-35 Temp [K] Cp [J/Kg K] Tabla 3: RT35. Puntos seleccionados Cp-T ensayado. Propiedades del PCM RT-35 Densidad kg/m3 Calor específico variable J/(kg K) Temperatura estado estándar K Conductividad térmica 0.2 W/(m K) Tabla 4: Propiedades del PCM RT Propiedades del aire Propiedades del aire viscosidad dinámica 1.795E-005 Pa s Peso molecular kg/kmol Calor específico 1007 J/(kg K) Conductividad térmica W/(m K) Prandtl turbulento 0.9 Tabla 5: Propiedades físicas del aire utilizadas. 198/203

199 Propiedades de los PCM alternativos Figura 41: Calor específico del PCM de alta capacidad (PCMH). 199/203

200 Figura 42: Calor específico del PCM de alta temperatura de fusión (PCM42) El resto de propiedades físicas introducidas en las simulaciones son idénticas a las del RT-35 (ver Propiedades del PCM RT35, página 197). 200/203