ESTIMACIÓN DE ENERGÍA SOLAR GANADA POR VENTANAS MULTIACIMUTALES EN RELACIÓN A SU ORIENTACIÓN Y A SU GEOMETRÍA. SITUACIÓN INVERNAL. Arq. Gustvo Br (1) ; Dr. Arq. Crolin Gnm (2) ; Ing. Alfrdo Estvs (3) (1,2,3) Lbortorio d Ambint Humno y Vivind (LAHV), (INCIHUSA) Cntro d Cinci y Técnic (CCT) (CONICET) Avd. Ruiz Ll s/n Prqu Gnrl Sn Mrtín (5500), Mndoz, Argntin -mil: gbr@mndoz-conict.gob.r Rsumn Con l objtivo d comprr l comportminto nrgético d l vntn pln lind l muro con l d l vntn multicimutl, s construyron dos prototipos (scl 1:1) con orintción Nort, n ls dpndncis dl CCT Mndoz, Argntin. Dichos prototipos tinn ls misms crctrístics gométrics y constructivs (vribls fijs). Estos prototipos s somtiron mdicions invrnls (Julio 2011), mdint dquisidors d dtos LbJck U3 y trmocupls tipo T. Lugo, con los dtos dquiridos y l informción gométric d los modlos, s modlizó y s justó l modlo físico n Enrgy Plus (softwr d simulción trmonrgétic d dificios dsrrolldo por l dprtmnto d nrgí d los Estdos Unidos). L vribl simuld fu l nrgí gnd trvés d cd vntn, y s simulron 10 csos d vntns multicimutls, l Nort, Est-Ost y Norst-Norost. S obsrv n gnrl, n ls simulcions, qu ls vntns multicimutls gnn más nrgí (difrnci d hst 30% l nort) qu sus homólogs plns d igul suprfici vrticl. Plbrs clvs: Prototipos scl, Vntns Multicimutls, Simulción nrgétic. Abstrct With th objctiv to compr th nrgy prformnc of flt windows lignd to th wll with multi-zimuth windows, two prototyps wr built (scl 1:1) with orinttion North, on CCT Mndoz s cmpus, in Argntin. Ths prototyps hv th sm gomtric nd constructiv chrctristics (fixd vribls). Wintr msurmnts (July 2011) wr undrgon using dt cquisition LABJACK U3 nd T-typ thrmocoupls. Thn, with th cquird dt nd gomtric informtion of th modls, th physicl modl ws djustd in Enrgy Plus (Thrml Enrgy Softwr simultion of buildings. Dvlopd by th Dprtmnt of Enrgy of th Unitd Stts). Th slctd vribl ws th nrgy gind through ch window, nd tn css of multi-zimuth windows wr simultd, to th North, Est-Wst nd Northst-Northwst. It is gnrlly obsrvd in th simultions, tht multi-zimuth windows gin mor nrgy (diffrnc of up to 30% in th North) tht its quivlnt flt windows with th sm vrticl surfc. Kywords: scl prototyps, Multi-Azimuth Windows, Enrgy Simultion. 1. INTRODUCCIÓN: Vntns Multicimutls En Ingltrr, n l siglo XV, s dopt un tipo d vntns llmds Bow Windows o By Windows, un spcio crrdo d form prismátic proyctd con pños fctdos, qu cumplí l función d mirdor (Prz t l. 2000). En l ctulidd sts vntns s utilizn n difrnts clims y culturs, y s considr un símbolo d sttus y ctgorí socil. 2708
Estos tipos d vntns, slints d l lín d l fchd, posn myor cntidd d suprfici xpust l xtrior y por lo tnto s mximizn los intrcmbios d flujos nrgéticos: prmitn l pso d myor cntidd d luz qu ls vntns plns, pro tmbién hcn más dificultos l protcción climátic (vr figur 1). En l cso d invirno sto consint myor ingrso d rdición solr pr clfcción, sí como s incrmntn ls pérdids nocturns. Ests crctrístics ls hcn muy intrsnts pr sr utilizds como sistm solr psivo, con ls dcuds protccions pr cd rquriminto stcionrio. Figur 1: Edificios con vntns proyctd, n Londrs Ingltrr, n Vlldolit Espñ y Mndoz Argntin. Funt: 1 y1 b: Vntns n www.historidlrt.us.. 1c y 1d: Estvs, A. 2010. En l ciudd d Mndoz, Argntin (32.7 ltitud sur, 68.5 longitud ost y 720msnm), cuyo clim s tmpldo continntl con grnds mplituds térmics n invirnos fríos y vrnos cálidos, tmbién s cunt con dificcions qu cuntn con vntns multicimutls. Actulmnt xist un tndnci crcint n l construcción d ls misms sobr todo n dificios rsidncils. Si rlizmos un stimción d l cntidd d nrgí qu rcib un u otr vntn (vr figur 2), obsrvmos qu n l ms d Julio, -n l ciudd d Mndoz, Argntin- l vntn pln rcib un rdición diri d 19,3 mj/m 2, mintrs qu l vntn multicimutl rcib l 48,8 mj/m 2, un 60% más, si s tom como constnt l tmño dl vno n l muro. Rd. Incidnt Diri pr Invirno-Julio: 19,3 mj/m 2 Rd. Incidnt Diri pr Invirno-Julio: 48,8 mj/m 2 Equivln 5331 W//m 2 Equivln 13.555 W//m 2 Figur 2: Irrdición horri pr l 15 d Julio. Método d Pg pr dí clro. Por st motivo s nlizn ls posibilidds térmics d l vntn multcimutl n l ciudd d Mndoz prtir d l mdición d prototipos xprimntls construidos dicho fin y d l modlizción d vrints drivds d ls mdicions obtnids. 2709
El provchminto d l nrgí solr s un form d utilizr nrgís rnovbls. Por llo s d sum importnci l incorporción d sistms solrs psivos, pr los qu s rquir d un orintción dcud, l uso d forms ficints, mtrils con inrci térmic lt, y mtrils d cubirts trnsprnts propids y d consrvción d nrgí (Mzri, 1979; Blcomb t l, 1983; ntr otros). S prtnd provchr l oportunidd qu brind st vntnminto como sistm psivo d condicionminto térmico, cuy imgn s cptd por l socidd modrn ctul, pr mjorr l comportminto mbintl nrgético dl mdio dilicio xistnt o nuvo. 2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Prototipos Exprimntls S construyron dos prototipos n scl 1:1, con l propósito d nsyr l comportminto térmico/nrgético d ls vntns n función d ls vribls climátics y l rdición solr. Ambos prototipos tinn ls misms crctrístics gométrics y constructivs y vrín n l vntn qu s ubic n l vno. En l prototipo A s coloc un vntn multicimutl y n l prototipo B un vntn pln trdicionl.ls crctrístics constructivs s prsntn n l tbl 1 y ls propidds d los mtrils n l tbl 2. Sus dimnsions son d 2,50m d lrgo por 1,50m d ncho y 2,50m d lto (Br, t. l. 2011). Vr Figur 3. N A B Figur 3,b,c y d: Plnt con ubicción d los snsors, fotos y sistm d mdición d los prototipos. Envolvnt Expust Prototipo A - Multicimutl Prototipo B - Pln Vno vntns 1.5m x 1.1m 1.5m x 1.1m Elmntos Opcos 28m 2 28m 2 Elmntos Trnsprnts: Vntns 2.74m x 1.1m = 3.014m 2 Proycción = 30cm Ángulo ltrls = 45º 1: Propidds gométrics d los Prototipos 1.5m x 1.1m = 1.65m 2 Tbl Elmntos Opcos Rsistnci Elmntos Trnsprnts Tbl 2 y 3: Propidds d los 2.2. Mdicions y Modlo Físico Trnsmitnci Solr mtrils constructivos d los Prototipos. Rflctnci Trnsmitnci Rflctnci Solr Visibl Visibl Front nd Bck Front nd Bck Front nd Bck Vidrio d 3mm 0.834 0.075 0.899 0.083 2710
S rlizcon mdicions d tmprtur rdint intriors n Julio dl 2011, n cd prototipo, mdint dquisidors d dtos LbJck U3 (prcición d 12bits, +/- 0.05 19.5ºC) con trmocupls tipo T. Los dtos furon tomdos cd 15 minutos y lmcndos mdint softwr DqFctory. Ls vribls climátics xtriors s midiron mdint stción mtorológic ubicd n l mismo lugr, Pgsus EP 2000, y furon: tmprtur d bulbo sco xtrior (prcición +/-0.5ºC), humdd rltiv (prcición +/-5%), vlocidd (prcición +/-5% FE) y dircción d vintos (prcición +/-15%), y rdición globl sobr plno horizontl (prcición +/-5% FE). Lugo, con los dtos dquiridos y l informción gométric d los modlos, s modlizó y s justó l modlo físico n l progrm Enrgy Plus, vr figur 4. Con ls vribls climátics mdids n l príodo slcciondo, s conformó l rchivo d clim ncsrio pr simulr l modlo físico n EnrgyPlus. Cb dstcr qu s slccionron 5 dís: 09/07/2011 l 13/07/2011. Los dtos mínimos ncsrios pr rlizr l rchivo climático son: Rdición Globl sobr suprfici horizontl, Rdición difus sobr suprfici horizontl, Rdición dirct l hz, tmprtur d bulbo sco xtrior, humdd rltiv xtrior, vlocidd y dircción d vinto. L rdición dirct l hz y difus sobr plno horizontl, s clculron por mdio d un módulo d cálculo nxo l SIMEDIF (Flors, t l 2000), ingrsndo l rdición globl sobr suprfici horizontl y los dtos gográficos dl lugr. S lnzó, RunPriod, l simulción un smn nts d l fch slcciond. Es importnt qu l modlo físico ntr n régimn nts d l fch qu nos intrs vlur. S hiciron lgunos justs pr qu l simulción dl modlo rsultr stisfctori: s umntron ls rnovcions d ir por hor. S llvron d 0.5r/h 1.5r/h. Tmbién s importnt clrr qu s l tuvo qu ingrsr l modlo físico, lgo d ms térmic, y qu E+Plus, considr qu sin ms no s posibl simulr. S l colocó, como cp intrior l tbiqu dl piso, Extrior Floor, ls crctrístics dl ldrillo pro con muy poco spsor: 0.001m. Figur 4 y 4b: Ajust dl modlo físico.corrlción ntr tmprturs mdids y simulds. En l Figur 4 y 4b s obsrv l just d los modlos físicos n Enrgy Plus. En l prototipo A, l corrlción ntr ls tmprturs mdids y simulds s d un 96% (R 2 =0.965). En l prototipo B s h llgdo un corrlción d R 2 =0.936. 2.3. Csos Simuldos 2711
S difrncin dos tipos d vribls pr dfinir los csos d studio: Vribls gográfics, n st cso, ls orintcions, Nort Norost y Ost, vr figur 6, y Vribls gométrics, propis d l vntn. Vr figur 5 y tbl 3 pr l dfinición d ls vribls por cso. Ls Vribls gométrics d ls vntns multicimutls considrds son: α= ángulo dl plno ltrl P= Slint dsd l lín d fchd L=Áncho dl vno. Constnt n todos los csos 1.50m. D ltrl y D cntrl=dimnsions d los pños vidridos Nort Norost Ost Figur 5 y 6: Esqum d vribls gométrics orintcions simulds En l tbl 3, s pudn difrncir trs tipos d csos: Csos A, Csos B y Csos C. Los primros csos, corrspondn l tipo d vntn con ltrls 45º. Los csos B, con ltrls 30º y los trcros con ltrls 90º. Es importnt clrr qu pr todos los csos ls dimnsions dl vno, s mntin constnt (1,50m d ncho 1,10 d lto). Csos Tipo [α] Proycción [P] Ancho dl Vno [L] Cso A1 45º 0.30m 1.50m Cso A2 45º 0.45m 1.50m Cso A3 45º 0.60m 1.50m Cso A4 45º 0.75m 1.50m Cso B1 30º 0.30m 1.50m Cso B2 30º 0.45m 1.50m Cso C1 90º 0.30m 1.50m Cso C2 90º 0.45m 1.50m Cso C3 90º 0.60m 1.50m Cso C4 90º 0.75m 1.50m Tbl 4: Rsumn. Csos d vntns multicimutls simuldos. Otr vribl considrd s l proycción d cd vntn, dsd l lín d l fchd (Proycción P). Est v vrindo cd 0.15m y dtrmin l suprfic xpust d cd pño vidrido. S obsrv n l tbl 1, qu los Csos B, no prsntn proyccions 0.60m y 0.75m, s db l conformción gométric d l vntn qu, l sr un ángulo mnor (30º), s produc l intrscción d ls rcts 0.45 m d proycción. Vr Tbl 4. En l tbl 4, s dscrib ls crctrístics gométrics d cd cso, y su rlción con l nvolvnt dl spcio qu los contin. Csos Estudidos Slint [m] Envolvnt Expust Ltrl 1[m 2 ] Cntrl [m 2 ] Ltrl 2[m 2 ] Totl (m 2 ) Vidrio / Env.Totl Vidrio / Piso 2712
A - 0.3 m 0.47 0.99 0.47 1.93 8.13% 51.47% L t r l s 4 5 º 0.45 m 0.7 0.66 0.7 2.06 8.67% 54.93% 0.6 m 0.93 0.33 0.93 2.19 9.22% 58.40% 0.75 m 1.17 0 1.17 2.34 9.85% 62.40% B - 0.3 m 0.66 0.50 0.66 1.82 7.66% 48.53% L t r l s 0.45 m 0.96 0 0.96 1.92 8.08% 51.20% 3 0 º C - 0.3 m 0.33 1.65 0.33 2.31 9.73% 61.60% L t r l s 9 0 º 0.45 m 0.49 1.65 0.49 2.63 11.07% 70.13% 0.6 m 0.66 1.65 0.66 2.97 12.50% 79.20% 0.75 m 0.82 1.65 0.82 3.30 13.89% 88.00% Tbl 5: Crctrístics. Csos d vntns multicimutls simuldos. Todos los csos (10 n totl), s simulron n trs orintcións, vribls gográfics: Nort, Est /Ost y Norst/Norost, y s somtiron comprción con l vntn Pln lind l muro pr cd orintción rspctivmnt; prmitindo l comprción d un totl d trint y trs csos d studio. 2713
3. RESULTADOS 3.1. Simulcions d los Csos Los csos s somtiron l nálisis d gnnci nrgétic totl diri por vntn, dnomind n l progrm Enrgy Plus como: Output:Vribl:ZonWindowHtGin. En l vlor obtnido stá considrd l rdición solr qu ingrs por un vidrio y l qu sl por l otro, n los csos d los vidrios ltrls d ls vntns multicimutls. El cálculo s posibl grcis l opción d cálculo: Solr Distribution, Full Intrior nd Extrior With Rflctions. Proycción y Orintción: En ls figurs 6,7 y 8, s compr l nrgí gnd n l dí 15 d Julio, n l Ciudd d Mndoz, por l vntn pln y cd cso d vntn multicimutl (j y), n rlción l proycción linl dsd l lín d fchd (j x). Cd figur mustr los rsultdos pr cd orintción: Nort, Ost y Est, rspctivmnt. S comprn 11 csos por orintción. Figur 6: Gnnci d Enrgí por Vntn pr l dí 15 d Julio l Nort. S pud obsrvr qu pr l orintción Nort, los csos qu más nrgí cptn son ls vntns multicimutls con los ltrls 90º. Al umntr l proycción, l nrgí trnsmitid l spcio s myor, y qu s mntin l dimnsión dl pño cntrl y umnt los ltrls orintdos l st y l ost. En los csos con ltrls 45º, l umntr l slint hst los 0.60m, l nrgí colctd tmbién v n umnto, pro los 0.75m d proycción l rndiminto d l vntn disminuy. Lo mismo sucd con l cso d l vntn con ltrls 30º, los 0.30m d proycción colct un 1.82% más qu l vntn pln, y con un proycción d 0.45m l rndiminto bj 0.37%, n comprción con l vntn pln. Vr figur 6 y tbl 6. Proycción L 0.30m Proycción L 0.45m 30º 45º 90º 30º 45º 90º 1.81% -1.00% 13.28% 0.37% 2.51% 19.80% Proycción L 0.60m Proycción L 0.75m 45º 90º 45º 90º 3.31% 25.28% 1.75% 30.79% Tbl 6, b, c y d: Porcntj d gnnci solr l Nort, con rspcto l vntn pln, 2714
Al Ost y l Est, mdid qu umntn los ángulos d los pños ltrls (d 30º 90º) y sus dimnsions (L), umnt l porcntj d gnnci solr con rspcto l vntn pln. Vr figur 7 y tbl 7. Figur 7: Gnnci d Enrgí por Vntn pr l dí 15 d Julio l Ost. Proycción L 0.30m Proycción L 0.45m 30º 45º 90º 30º 45º 90º 19.81% 28.14% 58.84% 30.52% 44.04% 98.36% Proycción L 0.60m Proycción L 0.75m 45º 90º 45º 90º 61.58% 126.80% 74.02% 137.59% Tbl 7, b, c y d: Porcntj d gnnci solr l Ost y Est, con rspcto l vntn pln. Con rspcto los csos orintdos l Norost/Norst, tmbién los csos qu más nrgí colctn son ls vntns 90º (d un 15% l 42% más qu l pln). Vr figur 8 y tbl 8. Figur 8: Gnnci d Enrgí por Vntn pr l dí 15 d Julio l Norost y Norst. L vntn pln cpt nrgí díri por 14500w/dí. Los csos qu más s crcn stos vlors son los csos con 0.30m d proycción y ltrls 45º (cso dl prototipo mdido) Proycción L 0.30m Proycción L 0.45m 2715
30º 45º 90º 30º 45º 90º 5.69% 1.58% 15.19% 8.72% 12.72% 25.12% Proycción L 0.60m Proycción L 0.75m 45º 90º 45º 90º 18.85% 33.79% 22.62% 42.20% Tbl 8, b, c y d: Porcntj d gnnci solr l Norost y Norst, con rspcto l vntn pln. 4. DISCUSIÓN Con st trbjo qud dmostrdo qu ls vntns multicimutls pudn llgr sr un sistm d condicionminto psivo d invirno muy útil n l prqu dilicio xistnt, y qu ctulmnt hy un tndnci crcint n l construcción d ls misms, sobr todo n vivinds dl sctor conómico mdio lto. Est trbjo prsnt rgistros qu lintn continur l nálisis d l vntn multicimutl como strtgis d condicionminto térmico psivo d invirno. Su configurción gométric l otorg myor ár d cptción, qu l vntn lind l muro, logrndo potncils gnncis d hst un 45%. Si bin s h studido l potncil gnnci solr, qud pndint l nálisis d ls pérdids nrgétics. A un myor cntidd d nvolvnt xpust, myor s l gnnci solr y por consiguint myors son ls pérdids nocturns. L incorporción d mtrils con un mnor trnsmitnci d clor, como l dobl vidrio y protccions nocturns (postigons, cortins intriors, tc.), prmitn contrrrstr l pérdid d clor y mjorr l ficinci dl sistm psivo. Otr considrción muy importnt s l proycción gométric d l vntn multicimutl. A iguldd d orintción y d tmño dl vno, podmos tnr gnncis n l ordn dl 45% (vntn con ltrls 90º y 0.75m d proycción l Nort) rspcto d l vntn pln, un situción d mnors gnncis qu su rfrnt pln, n l cso d l vntn multicimutl con ltrls 45º y 0.30m d proycción l Nort. Est último cso s db qu l plno vidrido nort, d l vntn multicimutl, s mnor l d l vntn pln, y los pños ltrls no logrn cptr l nrgí suficint pr sr más ficint qu l vntn pln. Entoncs, como todo sistm psivo, s db studir tnto su gomtrí como su mtrilizción pr qu su intgrción rquitctónic s costo fctiv. S prtnd sguir vnzndo n l nálisis d st sistm n l rsto d ls stcions dl ño pr l ciudd d Mndoz y n n futuros trbjos, pr difrnts clims. 5. REFERENCIAS Artículo Vntns, www.historidlrt.us. Blcomb J.D., Brly D., McFrlnd R., Prry J., Wry W., Noll S. 1983. Pssiv Solr Dsign Hndbook. Vol 1,2 y 3. Unitd Stts Dprtmnt of Enrgy. Estdos Unidos d Améric. 2716
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