INDICE DE PRODUCTOS FINALES

Transcripción

1 INDICE DE PRODUCTOS FINALES Análisis del comportamiento energético de los cerramientos de hormigón en base a la maximización de las ventajas derivadas de su inercia térmica Universidad de Sevilla (Grupo Termotecnia) Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA) Estudio de Arquitectura SAMLER

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3 INDICE 1 Introducción y antecedentes Objetivos y alcance Productos finales... 7 Producto Final 1.- Guia de diseño de fachadas SINHOR para Andalucia... 7 Producto Final 2.- Tablas pre-normativas que sirvan como indicación de las condiciones necesarias para conseguir activar las diferentes superficies de los recintos en las que eventualmente se concentrará la inercia térmica Producto Final 3.- Software sobre redistribución de radiación solar, renovaciones hora, Software de caracterización de las Fachadas Activas SINHOR, y protocolo CFD para cálculo de coeficientes de película Producto Final 4.- Protocolo de experimentación y Ensayos del generado en este proyecto para poder ser validada Producto Final 5.- Imágenes de ejecución del experimento que sirven como prueba gráfica del diseño y la ejecución de los experimentos ejecutados en cada etapa del proyecto, así como la sensorización efectuada sobre la célula de ensayo Producto Final 6.- Otros documentos generados por colaboraciones durante el proyecto Conclusiones y desarrollos futuros

4 1 Introducción y antecedentes El proyecto que aquí se presenta tiene como objetivo reducir la demanda energética de calefacción y refrigeración de los edificios potenciando la inercia térmica de un material tradicional en la construcción como es el hormigón. La potenciación de la inercia se debe a su capacidad para utilizar de manera óptima las fuentes y sumideros medioambientales de calor. En las aplicaciones de calefacción la fuente medioambiental por excelencia es el sol. En las aplicaciones de refrigeración el sumidero medioambiental de calor tradicional es el aire exterior en las aplicaciones de ventilación nocturna. En numerosas zonas climáticas españolas y especialmente en Andalucía se da la paradoja de que existen muchas localidades en las que la disponibilidad de radiación solar en invierno y de bajas temperaturas nocturnas en verano es más que suficiente como para compensar respectivamente las pérdidas del edificio durante el periodo de calefacción y las ganancias del mismo durante el periodo de refrigeración. La falta de inercia masa térmica o, mejor dicho la escasa o nula activación de la inercia existente es la que provoca que los edificios en las localidades citadas presenten unas demandas energéticas innecesarias de calefacción y refrigeración. En general el efecto de la inercia térmica en los cerramientos es una variable no considerada habitualmente en el diseño del edificio. Además de su difícil modelización para proyectistas y prescriptores, las herramientas de cálculo no han sido sensibles a este parámetro y el conocimiento de sus potenciales beneficios no ha sido considerado adecuadamente por la comunidad técnica y científica. 2 Objetivos y alcance El objetivo principal del proyecto es parametrizar las variables fundamentales que caracterizan la inercia térmica de los edificios con vistas a mejorar sustancialmente su tratamiento en los procedimientos de cálculo del comportamiento térmico de edificios. La inercia se contempla baja un doble punto de vista: Soluciones tradicionales basadas en el contorno y la estructura del edificio. Se han desarrollado en el proyecto modelos y tablas pre normativas que permitirán tratar adecuadamente los fenómenos de inercia que son tratados incorrectamente en los programas de simulación, en concreto: Interacción de la inercia y la radiación solar (que influye tanto en el aprovechamiento de las ganancias solares gratuitas en invierno como la modulación de la carga solar indeseable en régimen de refrigeración). Tratamiento de la inercia en estrategias de ventilación nocturna para preenfriar los elementos estructurales del edificio y reducir la carga de refrigeración el día siguiente 4

5 Soluciones innovadoras de fachada basadas en cerramientos de doble y triple piel. Se han diseñado, dimensionado, modelado, construido, experimentado y validado dos tipos de soluciones originales que tienen como características comunes: Una hoja interior de hormigón que se constituye en el elemento de almacenamiento térmico Una hoja intermedia (modo invierno) o exterior (modo verano) que se encuentra aislada y que está provista de una batería de ventiladores La convección forzada que se produce cuando se operan los ventiladores transfiere calor solar en invierno a la hoja inerte y permite la disipación de calor al aire exterior durante las noches de verano. Las variables de diseño en general y en particular las de la hoja inerte (espesor, conductividad térmica, densidad y calor específico) se eligen de forma que la máxima entrada de calor o la máxima disipación de calor hacia o desde el edificio se producen en las horas coincidentes con las cargas punta de calefacción y refrigeración respectivamente. En las figuras que se muestran a continuación se incluyen los esquemas de las dos soluciones mencionadas. Fachada activa SINHOR modo calefacción: 5

6 Fachada activa SINHOR modo refrigeración: 6

7 3 Productos finales Producto final 1.- Guía de Diseño de fachadas activas SINHOR para Andalucía. Comprende una secuencia de mapas, tablas y ejemplos que van guiando al diseñador en el proceso de toma de decisiones. Se tienen en cuenta los siguientes conceptos: Cualificación climática.- que indica la idoneidad del clima en términos de disponibilidad del recurso medioambiental (radiación solar en invierno y temperatura nocturna en verano). Se incluye mapa de disponibilidad de radiación solar sobre superficie SUR en invierno. Demanda del edificio.- Son los valores reglamentarios que se tienen que verificar el edificio en kwh/m 2 según el DB HE1 Del Código Técnico (CTE) dependiendo del tamaño del mismo. Se incluye mapa de la demanda de calefacción para edificios cuya superficie acondicionada es inferior a los 100 m 2 7

8 Determinación de la solución/es viable/s en función del área necesaria y el área efectiva. Que indica el tamaño de fachada activa necesaria para convertir un edificio que cumpa estrictamente los valores límite del CTE en un edificio pasivo. Se incluye mapa para viviendas de 100 m 2 en régimen de calefacción Determinación de los detalles constructivos óptimos para los cuales se han elaborado los mapas de área necesaria. Se incluye ejemplo de mapa para invierno suponiendo acristalamiento bajo emisivo. 8

9 Fichas constructivas y detalles para la ejecución utilizables para la implementación de soluciones de fachadas activas en proyectos de rehabilitación. Incluye Análisis del muro base, diseño de la intervención, ejecución, ejecución de encuentros y control de ejecución. Se incluye un ejemplo de ficha: 9

10 Ejemplo de la mejora derivada de la implementación en un edificio real que ilustra la mejora en términos de condiciones de confort que se derivaría de utilizar la fachada activa desarrollada en el proyecto en las distintas zonas climáticas. Se incluyen dos figuras correspondientes a este apartado de la Guía de Diseño para el caso del edificio situado en Sevilla. 10

11 Producto Final 2.- Tablas pre-normativas que sirvan como indicación de las condiciones necesarias para conseguir activar las diferentes superficies de los recintos en las que eventualmente se concentrará la inercia térmica. Pueden utilizarse como dato de entrada para programas e simulación si los recintos reales responden a las tipologías estudiadas. Se han confeccionado dos tipos de tablas que se corresponden respectivamente con: Análisis de los coeficientes de película en cada cerramiento de un recinto para diferentes patrones de flujo y en función de las renovaciones hora (ver ejemplo en figura adjunta) Análisis de la distribución de la radiación para diferentes relaciones de aspecto de los recintos, diferente orientación y porcentaje acristalado (ver ejemplo en figura adjunta) 11

12 Producto Final 3.- Software sobre redistribución de radiación solar, renovaciones hora, Software de caracterización de las Fachadas Activas SINHOR, y protocolo CFD para cálculo de coeficientes de película. Se corresponden con un nivel de detalle que en principio permite estudiar cualquier configuración. Se han desarrollado cuatro productos: Producto Final 3.1 Programa para cálculo de la redistribución de radiación solar en recintos.- Usando un procedimiento de Backward Ray Tracing es aplicable a recintos con obstáculos que contengan menos de 12 superficies opacas y 4 ventanas..- En la figura siguiente se muestra la pantalla principal de programa. Producto Final 3.2 Programa para cálculo del patrón de flujos en edificios multizona. Usando un método multizona en presiones y multizona en caudales calcula el patrón de flujo a partir de los caudales de extracción en cada zona y la velocidad y dirección del viento. En la figura siguiente se muestra la pantalla principal de programa 12

13 Producto Final 3.3 Protocolo de simulación CFD para cálculo de los coeficientes de película.- A partir de los caudales estimados por el programa anterior es posible utilizar un procedimiento CFD que permita obtener los coeficientes de película asociados a las diferentes superficies. En la figura siguiente se puede visualizar el tipo de malla propuesto. Producto Final 3.4 Software de caracterización de las Fachadas Activas SINHOR Usando un programa de diferencias finitas implícitas que incorpora la validación de los coeficientes de película en las cámaras de aire obtenidos de los experimentos citados en el producto final 2. Incluye procedimiento para integración en la Herramienta Unificada LIDER CALENER. Se adjunta pantalla de definición del modo invierno. 13

14 Producto Final 4.- Protocolo de experimentación y Ensayos del generado en este proyecto para poder ser validada. Se han desarrollado dos productos: Producto Final 4.1 Protocolo de experimentación incluyendo descripción de sensores, ubicación control de calidad de las medidas, calibración, secuencia de ensayos e instrumentación asociada a cada uno de ellos. A continuación se incluyen algunas figuras de este documento: 14

15 Producto Final 4.2 Informe de los experimentos.- que contiene los objetivos de cada campaña de medida, los resultados y conclusiones obtenidos y finalmente las validaciones de los modelos teóricos llevadas a cabo con los datos experimentales recogidos. A continuación se incluyen algunas figuras de este documento: 15

16 Producto Final 5.- Imágenes de ejecución del experimento que sirven como prueba gráfica del diseño y la ejecución de los experimentos ejecutados en cada etapa del proyecto, así como la sensorización efectuada sobre la célula de ensayo. Ensayo de Caracterización de la célula Ensayo de Verano Ensayo de Verano (Enfriamiento Nocturno de Forjado superior) Ensayo de Invierno (con movimiento del acristalamiento para incrementar la cámara interior) 16

17 Producto Final 6.- Otros documentos generados por colaboraciones Estudio del comportamiento higrotérmico del hormigón que sirve como ratificación a los resultados obtenidos ante posibles localizaciones, de estas mismas soluciones basadas en hormigón, en zonas de mayor nivel pluviométrico. Este estudio confirma que los resultados obtenidos no se ven alterados aunque suba la humedad en los cerramientos como se aprecia en la siguiente figura en la que la Temperatura superficial interior coincide para el escenario con lluvia y sin lluvia. Perfiles de temperatura Características constructivas de las fachadas de los edificios estudiados en el proyecto (Re)Programa que sirve como aportación de datos al grupo SIHOR para el estudio, en las localizaciones de (Re)Programa, de la implementación de soluciones de fachadas para el acondicionamiento ambiental de las viviendas. 17

18 4 Conclusiones y desarrollos futuros Soluciones convencionales basadas en el contorno y la estructura del edificio.- El proyecto ha permitido crear una infraestructura integrada de información y cálculo que permitirá al proyectista: En fase de diseño, conocer los elementos de los recintos que son particularmente activados por la radiación solar o por los eventuales esquemas de ventilación nocturna. Esos elementos son en los que se debe concentrar la inercia del edifico para combatir las demandas de calefacción y/o refrigeración. En fase de desarrollo del proyecto poder calcular, con los paquetes de software desarrollados, el efecto individual y conjunto (en base horaria, mensual y estacional) de una disposición concreta de la inercia para un edificio y un clima dado. Finalmente, poder integrar y poner en valor los cálculos anteriores en las herramientas de certificación energética y cumplimentación del código técnico. Soluciones innovadoras de fachadas activas. En el proyecto se han diseñado, dimensionado, modelado, construido, experimentado y validado dos soluciones de fachadas activas que potencian la inercia térmica y que son aplicables tanto en nueva planta como en rehabilitación La célula experimental desarrollada ha permitido realizar con éxito hasta seis campañas diferentes de ensayos que han permitido entender el comportamiento de las fachadas activas en diferentes situaciones, validar los modelos teóricos desarrollados y diseñar estrategias de operación óptimas para el funcionamiento de los ventiladores. Se han generado quías de diseño con información progresiva sobre los climas en los que las fachadas activas son particularmente interesantes, sobre las características específicas de diseño y operación que deben de tener en cada clima dichas fachadas para un comportamiento óptimo, sobre la contribución concreta de los diseños anteriores a las necesidades de calefacción y refrigeración de los edificio y finalmente, sobre el porcentaje de superficie de fachas activas(en relación con la superficie habitable del edificio) que sería necesario para eliminar las necesidades energéticas mencionadas. Este aspecto se complementa con fichas que contienen detalles de implementación práctica para diferentes escenarios de rehabilitación. Al igual que para las soluciones convencionales se ha generado una infraestructura informática capaz de conocer con precisión el comportamiento de cualquier solución de fachada activa en cualquier orientación y para cualquier clima. Finalmente, se ha establecido un protocolo para integrar los resultados anteriores en las herramientas de certificación energética y cumplimentación del código técnico. En general, los resultados obtenidos han permitido concluir que los diseños propuestos son excelentes y generarían unas reducciones de las demandas de calefacción considerables en prácticamente toda la geografía andaluza suponiendo que los edificios están convenientemente orientados. En régimen de verano hay una zona significativa (zona 4) en la que la contribución energética es comparativamente menos significativa a pesar de que las soluciones activas para refrigeración no tienen requerimientos de orientación. 18

19 Se han revelado asimismo aspectos de mejora como pueden ser: Potenciar la contribución en régimen de verano a partir de técnicas de enfriamiento evaporativo. Ampliar el concepto a cubiertas para poder cubrir edificación no residencial con pocas plantas como por ejemplo hipermercados. Proponer sistemas modulares de prefabricación de las fachadas activas que, además de los elementos desarrollados en el presente proyecto, integren: o o Generación de electricidad con paneles fotovoltaicos para eliminar el consumo asociado a la operación de los ventiladores. Soluciones simples de compuertas en la cámara de aire que permitan mejorar la eficiencia de las fachadas en el modo de parada reduciendo las pérdidas de calor (en invierno y las ganancias (en verano). 19