Parámetros de diseño de cubiertas ventiladas metálicas para clima cálido húmedo en Tabasco

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1 Parámetros de diseño de cubiertas ventiladas metálicas para clima cálido húmedo en Tabasco Violeta Escobar Ruiz Tesina para la obtención de Máster en Arquitectura, Energía y Medio Ambiente Tutores: Dra. Helena Coch Roura Dr. Antonio Isalgue Buxeda Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Barcelona Universidad Politécnica de Cataluña Barcelona 213

2 1/17 I. Problemática Losa de concreto, tabique, ladrillo o terrado con viguería 29% Teja 11% Otros 1% Lámina decartón 2% Lámina de asbesto o metálica 53% Materiales en cubiertas en viviendas de Tabasco FUENTE: INEGI. XII Censo general de población y vivienda 2. Palma, tejamanil o madera 4% II. Localización Coordenadas geográficas

3 2/17 III. Clima de Tabasco Temperatura Temperatura y Humedad 2 19 TM Máx TM Min Humedad Relativa 33.6 C 21.7 C 75 % ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Fuente: Sitio Web: CONAGUA (Comisión Nacional del Agua) México. Zona Confort Verano 21 C - 26 C Zona Confort Invierno 18 C - 23 C Humedad Relativa (%) mm Precipitación Pluvial ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL Fuente: Sitio Web: CONAGUA (Comisión Nacional del Agua) México. mm Max : Septiembre Min: Abril AGO SEP OCT NOV DIC kwhr / M2 / Día Radiación solar Promedio Diario Calculado con base a radiación real plano horizontal Radiación solar acumulada Cálculo con Heliodón kwh/m2 Solsticio de Verano Solsticio de Invierno Equinoccio de Primavera Mes más Caluroso (Mayo) Mes más Frío (Enero) SUR ESTE OESTE NORTE CUBIERTA ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Fuente: Software: Heliodón, Benoit Beckers. Observatorio Ciencias Biológicas UJAT Total Cubierta Sur Este - Oeste Norte

4 3/17 IV. Objetivos de la investigación Objetivo General Definir parámetros de diseño de cubiertas ventiladas en el clima cálido húmedo como estrategia para evitar el sobrecalentamiento por cubierta. Objetivos Específicos Establecer el grado de eficiencia de cada uno de los parámetros identificados en el funcionamiento de cubiertas ventiladas para el clima y localización en cuestión. Obtención de un modelo de cubierta ventilada que presente un comportamiento óptimo en la prevención del disconfort térmico.

5 4/17 V. Descripción cubierta ventilada EXTERIOR Q sol. Q conv.ext. Qv Q ref.ext. Q rad.ext. PANTALLA Q rad. Q rad.int. Q conv. CÁMARA VENTILADA Q conv.int. INTERIOR TECHO Q sol. Q ext. Q int. Qv Q rad.int. Q rad.ext. Q conv.int. Q conv.ext. Q ref.ext Simbología Radiación Solar Calor al exterior Calor al interior Calor disipado por la cavidad ventilada Calor radiado al interior Calor radiado al exterior Calor por convección al interior Calor por convección al exterior Radiación Reflejada al exterior Q sol. = Q ext. + Q int. + Qv Q int. = Q rad.int. + Q conv.int Q ext.. = Q ref.ext + Q rad.ext. + Q conv.ext.

6 5/17 VI. Variables y efectos de la cubierta ventilada VARIABLES: CONVECCIÓN RADIACIÓN CONDUCCIÓN 1 Aislamiento techo + - Aumento Temperatura y flotabilidad térmica del aire de la cámara Disminución Temperatura y flotabilidad térmica del aire de la cámara Disminución flujo de calor al interior del espacio Aumento flujo de calor al interior del espacio 2 Absortancia pantalla + - Aumento Temperatura y flotabilidad térmica del aire de la cámara Disminución Temperatura y flotabilidad térmica del aire de la cámara Mayor reemisión de calor al interior del espacio Menor reemisión de calor al interior del espacio Anchura cavidad Inclinacion Orientación vientos sí no Disminución fricción y aumento velocidad del aire Aumento fricción y disminución velocidad del aire Interacción de las variables de funcionamiento de cubiertas ventiladas Mayor empuje del aire por flotabilidad térmica Menor empuje del aire por flotabilidad térmica Inducción de ventilación forzada por la cámara. Aumento caudal de aire Obstrucción de ventilación por flotabilidad térmica. Disminución caudal de aire * Menor incidencia de radiación reemitida por cubierta convección * Mayor incidencia de radiación reemitida por cubierta conducción 4 radiacion * Situación relativa cubierta - usuario

7 6/17 VII. Descripción del estudio Cubierta: Lámina metálica acanalada. Espesor: 1 mm Absortancia:.7 Inclinación: % = 17 N Muro: Block de hormigón Espesor: 1 cm Revoco cemento - arena Espesor: 2 cm Pintura Blanca Absortancia:.4 1 cm 14 cm 4.25 m a a 5. m Piso: Concreto armado Espesor: 1 cm Firma mortero cemento-arena Espesor: 7 cm Duela de madera Espesor: 3 cm 5. m Alzado lateral a-a 5. m Planta arquitectónica

8 7/17 VII. Descripción del estudio Cubiertas Ventiladas: Anchura Cámara MODELO BASE Inclinación Color cubierta Cubierta Metálica Simple Cubierta Metálica Simple Blanca Cubierta Metálica Simple Aislada Cubierta Metálica Ventilada Óptima Cubierta Metálica Ventilada Óptima Aislada Cubierta Metálica Ventilada Óptima con viento

9 Parámetros de diseño de cubiertas ventiladas metálicas para clima cálido húmedo en Tabasco 8/17 VIII. Análisis de las simulaciones Ficha de resultados simulación Esquema Nombre del modelo Código CUBIERTA METÁLICA VENTILADA. CAVIDAD 15 cm (kw) ESQUEMA (l/s) (l/s) 1 cm 14 cm Pantalla Cavidad 15 cm 4.25 m 5. m 17 Alzado lateral a-a a 5. m a 5. m Planta arquitectónica Día crítico N DATOS Cubierta: Lámina metálica acanalada. Espesor: 1 mm Emisividad:.9 Conduct.: w/m-k Inclinación: % (17 ) 1. Pantalla: Absortancia:.7 2. Camara Ventilada Espesor: 15 cm Periodo Simulación: 8-14 mayo Localización: N 96 9 O Viento desactivado 3. Techo: Absortancia:.7 Muro: 1. Block de hormigón Espesor: 1 cm 2. Revoco cemento-arena Espesor: 2 cm Absortancia:.6 Radiación Solar Incidente Temperaturas de aire Exterior / Cavidad / Interior Temperaturas Superficiales Cubierta Ventilada Piso: 1. Concreto armado Espesor: 1 cm 2. Firme mortero cemento-arena Espesor: 7 cm 3. Duela de madera Espesor: 3 cm (horas) (horas) Caudal de aire / Flujo diurno (horas) Caudal de aire / Flujo nocturno (horas) (m/s) (horas) CV15cm Radiacion Solar Incidente en Cubierta Temperatura Exterior de Bulbo Seco Temperatura del aire: Habitación Temperatura del aire: Cavidad Temperatura Exterior de Bulbo Seco Temperatura Superficial Pantalla Temperatura Superficial Techo Caudal entrante de aire Hueco sur Caudal Saliente de aire Hueco norte Velocidad aire entrante (m/s) Caudal entrante de aire Hueco norte Caudal Saliente de aire Hueco sur Datos Especificaciones constructivas del modelo Periodo de simulación y lugar Radiación Solar incidente en toda la superficie de cubierta Temperatura del aire: Exterior de Bulbo seco Cavidad Habitación Temperaturas superficiales: Exterior Pantalla Interior Techo Caudal y velocidad de aire diurno Sentido ascendente Entrada hueco sur / Salida hueco norte Caudal de aire nocturno Sentido descendente Entrada hueco norte / Salida hueco sur Relación de Modelos Simulados Código CS CSB CSA CV5cm CV1cm CV15cm CV2cm CV25cm CV CV15 CV CV45 CV1% CV% CV% CV9% CV%A CV7%A Nombre del modelo Cubierta Simple. 7% abs. Cubierta Simple Blanca. % abs. Cubierta Simple Aislada. 1 ½" poliuretano expandido bajo techo Cubierta Ventilada. Ancho cavidad 5 cm Cubierta Ventilada. Ancho cavidad 1 cm Cubierta Ventilada. Ancho cavidad 15 cm Cubierta Ventilada. Ancho cavidad 2 cm Cubierta Ventilada. Ancho cavidad 25 cm Cubierta Ventilada. Inclinación Cubierta Ventilada. Inclinación 15 Cubierta Ventilada. Inclinación Cubierta Ventilada. Inclinación 45 Cubierta Ventilada. 1% abs. Cubierta Ventilada. % abs. Cubierta Ventilada. % abs. Cubierta Ventilada. 9% abs. Cubierta Ventilada. % abs. Aislada Cubierta Ventilada. 7% abs. Aislada Total: 18 modelos

10 9/17 IX. Comparación cubiertas ventiladas Análisis de anchuras de cavidad COMPARACIÓN ANCHO CAVIDAD VENTILADA Temperaturas superficiales Velocidad aire cavidad (m/s) Ancho Cavidad (cm) Ancho Cavidad (cm) Temperatura del aire Temperatura superficial techo Temperatura superficial pantalla Velocidad del aire en la cavidad

11 1/17 IX. Comparación cubiertas ventiladas Análisis inclinaciones de cubierta COMPARACIÓN INCLINACIÓN CUBIERTA Temperaturas superficiales Velocidad aire cavidad.6.55 (m/s) Ángulo inclinaciones cubierta Ángulo inclinaciones cubierta Temperatura del aire Temperatura superficial techo Temperatura superficial pantalla Velocidad del aire en la cavidad

12 11/17 IX. Comparación cubiertas ventiladas Análisis inclinaciones de cubierta COMPARACIÓN ABSORTANCIA SOLAR DE LA PANTALLA Temperaturas superficiales Velocidad aire cavidad (m/s) % % % 7% 9% % % % 7% 9%.1.5. Absortancias Pantalla Exterior Absortancias Pantalla Exterior Temperatura del aire Temperatura superficial techo Temperatura superficial pantalla Velocidad del aire en la cavidad

13 12/17 IX. Comparación cubiertas ventiladas Análisis aislamiento interior COMPARACIÓN APLICACIÓN DE AISLAMIENTO 8 75 Temperaturas superficiales 8 75 Velocidad aire cavidad % %A 7% 7%A Tipo de cubierta ventilada % %A 7% 7%A Tipo de cubierta ventilada. TIPOS DE CUBIERTAS COMPARADAS % Cubierta Ventilada con % de absortancia %A Cubierta Ventilada con % de absortancia y aislamiento interior del techo 7% Cubierta Ventilada con 7% de absortancia 7%A Cubierta Ventilada con 7% de absortancia y aislamiento interior del techo % c/v Cubierta Ventilada con % de absortancia y vientos de 5 m/s provenientes del sur 7% c/v Cubierta Ventilada con 7% de absortancia y vientos de 5 m/s provenientes del sur Temperatura del aire Temperatura superficial techo Temperatura superficial pantalla Velocidad del aire en la cavidad

14 13/17 IX. Comparación cubiertas ventiladas Análisis acción del viento COMPARACIÓN ACCIÓN DEL VIENTO 55 Temperaturas superficiales 55 Velocidad aire cavidad 1.2 (m/s) % % c/v 7% 7% c/v Tipo de cubierta ventilada 25 % % c/v 7% 7% c/v Tipo de cubierta ventilada. TIPOS DE CUBIERTAS COMPARADAS % Cubierta Ventilada con % de absortancia %A Cubierta Ventilada con % de absortancia y aislamiento interior del techo 7% Cubierta Ventilada con 7% de absortancia 7%A Cubierta Ventilada con 7% de absortancia y aislamiento interior del techo % c/v Cubierta Ventilada con % de absortancia y vientos de 5 m/s provenientes del sur 7% c/v Cubierta Ventilada con 7% de absortancia y vientos de 5 m/s provenientes del sur Temperatura del aire Temperatura superficial techo Temperatura superficial pantalla Velocidad del aire en la cavidad

15 14/17 X. Conclusiones Configuración cubierta ventilada CONFIGURACIÓN CUBIERTAS VENTILADAS METÁLICAS PARA EVITAR SOBRECALENTAMIENTO % % 2 4% 6% 15 1 MÁXIMA EFICIENCIA 15 BUEN DESEMPEÑO 8% 1% 5 MAL DESEMPEÑO absortancia ancho inclinación cavidad (cm)

16 15/17 X. Conclusiones Comportamiento de la cavidad ventilada Un aumento en el caudal de aire de salida de la cámara, no impacta de manera importante en la disminución de la temperatura del aire interior Acciones que influyeron en el incremento de velocidad del aire por flotabilidad térmica: elevar inclinación cubierta elevar absortancia pantalla / elevar temperatura aire de la cavidad aumento ancho cavidad. 1 cm = registro de mayores velocidades Efecto de la acción del viento es proporcionalmente menor a la modificación de variables de configuración de la cubierta en la reducción de la temperatura interior

17 16/17 X. Conclusiones Efectividad cubierta ventilada frente a otras estrategias de refrigeración Diferencia de grado - hora

18 17/17 X. Conclusiones Efectividad cubierta ventilada frente a otras estrategias de refrigeración Reducción de la absortancia solar. Aislamiento interior 3. Configuración cámara ventilada 4. Cubierta ventilada mejorada Aislamiento interior Reducción absortancia solar pantalla Reducción absortancia + Aislamiento interior Reducción de la temperatura interior del local CS CSB CSA CV7% CV7%A CV% CV%A Cubierta Simple. 7% abs. Cubierta Simple Blanca. % abs. Cubierta Simple Aislada. 1 ½" poliuretano expandido bajo techo Cubierta Ventilada. 7% abs. pantalla Cubierta Ventilada Aislada. 7% abs. pantalla Cubierta Ventilada. % abs. Cuberta Ventilada Aislada % abs. % 2% 4% 6% 8% 1% 55% 55% 4% 62% 64% 66% CS CSB CSA CV7% CV7%A CV% CVA