La radiación como factor determinante en la temperatura interior de los edificios en Canarias

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA MASTER OFICIAL EN EFICIENCIA ENERGÉTICA ! ! Autor: Jorge Abián Santana López ! ! La radiación como factor determinante en la temperatura interior de los edificios en Canarias ! ! ! ! Tutor: Gabriel Winter Althaus Cotutor: Jose Antonio Sosa Díaz-Saavedra ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Las Palmas de Gran Canaria, 19 de Diciembre ! !1 TRABAJO FINAL DE MÁSTER AGRADECIMIENTOS ! ! A mi tutor, por su total dedicación e implicación con el presente Trabajo Final de Máster de principio a fin. ! A mi cotutor, por el impulso y motivación a desarrollar este tema de estudio en concreto. ! A mi familia, particularmente a mis padres por su labor incansable y apoyo incondicional a lo largo de mi trayectoria académica. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !2 TRABAJO FINAL DE MÁSTER RESUMEN ! Las soluciones aplicadas a la construcción en Canarias están determinadas fundamentalmente por el factor de temperatura exterior, factor tomado directamente de soluciones constructivas adoptadas del Código Técnico de la Edificación que son efectivas para latitudes más al norte del territorio canario. El objetivo del trabajo se centra en demostrar que estas soluciones son incorrectas para nuestra latitud puesto que la radiación contribuye más que la temperatura exterior y, dichas soluciones constructivas no contemplan esta importante variable. ! El trabajo se divide en tres partes: Una primera parte de toma de valores de radiación durante un año típico en Canarias. Una segunda parte de análisis de estos datos donde se demuestre que la radiación condiciona más la temperatura interior de los ambientes en la latitud indicada para Canarias. Y, por último, una simulación mediante el software “FreeFem”, con diferentes tipos de cubierta que sirvan como herramienta durante la fase de proyecto, que nos aporte con precisión valores de temperatura interior tras analizar diferentes variables de radiación, temperatura exterior, conductividad térmica de los materiales y tipo de solución adoptada. ! En definitiva, no deja de ser una reflexión sobre las debilidades del CTE en su aplicación a climas subtropicales y una búsqueda de medidas de arquitectura pasiva que permitan una reducción en la utilización de los sistemas activos de refrigeración y calefacción. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !3 TRABAJO FINAL DE MÁSTER ÍNDICE ! NOMENCLATURA 6 1. INTRODUCCIÓN 8 1.1. Planteamiento general del trabajo 8 1.2. Método simplificado del CTE 8 1.3. Comparativa método simplificado del CTE y método a través de la radiación global 10 1.4. Objetivos 13 1.5. Metodología 14 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 14 2.1. Termodinámica y calor 14 2.1.1. Sistema termodinámico 15 2.1.2. Conductividad térmica 16 2.1.3. Calor 17 2.2. Modos de transmisión de calor 18 2.3. Conducción 18 2.4. Convección 20 2.5. Radiación 21 2.6. Factores que influyen en la radiación 23 2.7. Propiedades de los materiales relacionadas con la radiación 24 2.8. Convección y radiación en paralelo 26 3. ESTUDIO COMPARATIVO DE CUBIERTAS 27 3.1. Contexto y localización 27 3.2. Toma de valores de radiación para el día más desfavorable en Canarias 28 3.3. Radiación y temperatura interior ambiente ideal. Carta bioclimática de Olygay 28 3.4. Tipos de cubierta y materiales empleados 30 4. MODELO Y SIMULACIÓN DE LA CUBIERTA 35 4.1. Modelo físico y matemático 35 !4 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 4.2. Cálculo de la influencia del espesor del forjado 39 4.3. Cálculo con diferentes posiciones del aislamiento térmico 43 4.4. Cálculo con diferentes espesores de la cámara ventilada 50 4.5. Cálculo de la cámara ventilada a través de las juntas del pavimento 59 4.6. Cálculo solución losa FILTRON 63 5. CONCLUSIONES 65 5.1. Resumen 65 5.2. Resultados y conclusiones 66 5.3. Comentarios finales 71 6. BIBLIOGRAFÍA 72 7. ANEXOS 73 7.1. Anexo I. Mallado de soluciones con Freefem 73 7.2. Anexo II. Datos de radiación para el mes de Junio 77 7.3. Anexo III. Datos de viento 80 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !5 TRABAJO FINAL DE MÁSTER NOMENCLATURA ! Tipografía Romana ! Símbolo Definición Unidades Sistema Internacional c Calor específico J/kg K ! C Capacidad térmica J/K ! E Energía interna por unidad de masa J/Kg ! E Potencia emisiva de un cuerpo radiante W/m2 ! Eb Potencia emisiva de un cuerpo negro W/m2 ! hcint Coeficiente de convección interior W/m2 ! hcext Coeficiente de convección interior W/m2 ! G Irradiancia global W/m2 ! k Conductividad térmica W/m K ! M Masa Kg ! q Flujo de calor W/m2 ! R Resistencia térmica K/W ! t Tiempo S ! T Temperatura K o ºC ! To Temperatura ambiente exterior K o ºC ! Tint Temperatura interior K o ºC ! Tcielo Temperatura de cielo K o ºC ! !6 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Tipografía Griega ! Símbolo Definición Unidades Sistema Internacional ! α Difusividad térmica m2/s ! α1 Absortancia térmica m/s ! δ Diferencial m/s ! σ Constante de Stefan-Boltmann W/m2K4 ! γ Emisividad térmica ! τ Transmisividad térmica W/m2K ! ρ Reflectancia ! ρ Densidad del material Kg/m3 ! λ Longitud de onda m ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !7 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 1. INTRODUCCIÓN ! 1.1. Planteamiento general del trabajo ! En la actualidad el consumo energético en los edificios llega a suponer del 30 al 40% de la energía total consumida en todo el planeta. Si a esto le sumamos los gastos existentes que conlleva la incorporación de un sistema de refrigeración, para enfriar o calentar el interior de la envolvente, el consumo se eleva en torno a un 40% del total. Por tanto, es fundamental encontrar estrategias pasivas que refrigeren o disminuyan la temperatura interior de los edificios sin elevar el consumo energético. Un elemento directamente relacionado con la eficiencia térmica es la envolvente y, dentro de la misma, la cubierta juega un papel determinante al ser la más expuesta en el conjunto del edificio. Un buen diseño de la cubierta contribuye a un ahorro en el consumo de energía del edificio. ! El Código Técnico de la Edificación es un manual básico y de aplicación inmediata en la resolución de este tipo de problemas, pero observamos una serie de incoherencias que en la mayoría de los casos dan como resultado soluciones erróneas. Las soluciones aplicadas a la construcción en Canarias están determinadas fundamentalmente por el factor de temperatura ambiente exterior, factor tomado directamente de soluciones constructivas adoptadas del Código Técnico de la Edificación que son efectivas para latitudes más al norte del territorio canario. ! El objetivo del trabajo se centra en demostrar que estas soluciones son incorrectas para nuestra latitud, puesto que la radiación contribuye más que la temperatura exterior al calentamiento del edificio y, dichas soluciones constructivas no siguen un método correcto para el cálculo de esta importante variable. Esta es la causa de que proyectos realizados en Canarias cumpliendo las especificaciones del CTE no alcancen la temperatura interior de confort indicada previamente durante la fase de proyecto. ! ! ! 1.2. Método simplificado del CTE ! El Código Técnico de la Edificación realiza una clasificación en base a “climas de referencia”, es decir, un sistema que diferencia el territorio en zonas en función de la severidad del clima que afecta a cada una de ellas. Para la zonificación, se emplean 13 zonas climáticas que se identifican mediante una letra mayúscula (A-E) correspondientes con la severidad climática de invierno y números (1-4) correspondientes con la severidad climática de verano. Esta clasificación está !8 TRABAJO FINAL DE MÁSTER demasiado simplificada y trae consigo una serie de errores en las soluciones constructivas que son aptas para lugares con climas rotundamente distintos. Figura 1.1: Mapa de España correspondiente a los climas de referencia [11] ! ! Tras la última adaptación del CTE (30/07/2015) se ha incorporado una nueva clasificación para distinguir el particular clima que afecta a Canarias del resto del territorio, mediante la incorporación de una letra alfa de reciente aplicación en el CTE. ! Figura 1.2: Mapa de España correspondiente a los climas de referencia [11] ! ! ! Esta letra alfa intenta implantar la influencia de la irradiancia mediante el cálculo del número de horas de sol relativas a cada mes en cada una de las comunidades. En este punto podemos observar como la normativa trata de afinar la severidad climática que le corresponde a cada lugar, pero aún no es suficiente. El número de horas de Sol dadas para cada posición de una latitud determinada omite ciertos condicionantes que son fundamentales para entender la radiación. !9 TRABAJO FINAL DE MÁSTER ! ! Estos sistemas se encuentran en equilibrio cuando las variables que lo definen adquieren un valor constante en toda coordenada independiente al tiempo. Todo sistema tiende hacia el estado de equilibrio y una vez alcanzado se dan las siguientes condiciones: ! -Equilibrio térmico: la temperatura es igual en todos los puntos del sistema. -Equilibrio mecánico: la presión adquiere el mismo valor en todo punto. -Equilibrio químico: la composición química es la misma en todos sus puntos. ! En relación a los procesos termodinámicos cabe destacar que tienen lugar cuando en un sistema se modifican alguna de sus variables de estado y éstas van tomando diferentes valores según el tiempo. El sistema pasa de un estado inicial de equilibrio “A” a un estado de equilibrio “B”, y en función de la variable (p, V, T) que permanezca constante se denomina el proceso como: ! -Isobárico (p = constante) -Isóstero (V = constante) -Isotérmico (T = constante) -Adiabático (Q = 0) ! Una transformación termodinámica puede ser reversible cuando toda la secuencia de estados intermedios desde “A” hasta “B” se han realizado existiendo equilibrio termodinámico entre el sistema y el entorno. Sin embargo, una evolución puede ser irreversible si no ha existido equilibrio fisioquímico entre el sistema y el entorno. ! ! ! 2.1.2. Conductividad térmica ! La conductividad térmica varía en función del medio de propagación. Para el estudio que nos concierne es necesario saber que la energía térmica en los sólidos puede transferirse por conducción mediante dos mecanismos: por vibración en red y por transporte de electrones libres. Viene expresada a través del flujo de calor por unidad de área proporcional siendo proporcional al gradiente normal de temperatura, según la siguiente ecuación: ! q = -kA dT/dx ! En buenos conductores térmicos se transporta energía desde una región de alta temperatura a otra de baja temperatura como en el caso de los gases. La energía también puede transmitirse como energía de vibración aunque no es tan efectivo como el proceso anterior. !16 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 2.1.3. Calor ! La energía interna de un sistema puede ser modificada por medio de dos mecanismos, el trabajo realizado y el flujo de calor. Para el estudio que nos concierne vamos a analizar únicamente la variación de energía a partir de un flujo de calor. ! Siempre que tengamos dos cuerpos entre los que exista una diferencia de temperatura se va a producir una transferencia de energía del cuerpo más caliente al más frío hasta que sus temperaturas se encuentren en equilibrio. Esta energía transferida de un cuerpo a otro en función de la temperatura se denomina calor. Por lo tanto, el fenómeno de calor se considera transitorio, y finaliza una vez que se alcanza el estado de equilibrio. ! Como el calor es una forma de energía, las unidades de medida empleadas según el Sistema Internacional es el Julio (J), que se define como la cantidad necesaria de calor para elevar la temperatura de una gramo de agua de 14,5 a 15,5ºC bajo la presión de una atmósfera. También se pueden expresar estas unidades en calorías (cal), que equivale a 4,186 Julios o en BTU (British Termal Unit). ! Además, existen dos conceptos relacionados con el calor que son el calor específico y la capacidad calorífica de un sistema: ! -Calor específico, es la cantidad de calor necesario para incrementar la temperatura de un gramo de material en un grado centígrado. ! -Capacidad calorífica de un sistema, es la cantidad de calor que puede almacenar un sistema para aumentar su temperatura un grado centígrado. La expresión que permite evaluar la capacidad calorífica se obtiene a través de la siguiente expresión, donde mi es la masa en gramos de los componentes que forman el sistema y Ce el calor específico tabulado para cada componente !! ! ! ! ! La cantidad de calor que puede almacenar un sistema cuando pasa de una temperatura T1 a otra temperatura T2, se obtiene de la siguiente manera: ! ! !17 TRABAJO FINAL DE MÁSTER (2.1.3.A) ! ! 2.2. Modos de transmisión de calor ! En todo sistema donde exista una diferencia de temperaturas se produce un flujo de calor que va desde la zona más caliente hacia la zona más fría, hasta que ambas entran en equilibrio. Los fenómenos de transmisión de calor se dividen en varios tipos, aunque generalmente se clasifican en tres tipos: conducción, convección y radiación. Cabe destacar, que lo más frecuente es la aparición de estos fenómenos combinados. ! a) Conducción: Se produce a través de un medio material cuando hay una transferencia de energía desde una región de alta temperatura a otra de baja temperatura. Se dice que existe un gradiente de temperatura y el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura. ! b) Convección: El flujo de calor en una superficie depende de la rapidez a la que el fluido lleva el calor. Es decir, el flujo de calor está relacionado con la diferencia de temperaturas entre la pared y el fluido, y el área de la superficie. Existe un medio material. ! c) Radiación: Se da una transferencia de calor sin que exista un medio material cuando la temperatura del cuerpo es mayor a cero. Dicha radiación puede ser reflejada, absorbida o transmitida. ! ! Además, es importante señalar que un proceso de transmisión de calor se clasifica en función de las variables que influyen en la temperatura, como son el tiempo y el espacio. Un flujo de calor se denomina estacionario o estado estable cuando su temperatura no varía con el tiempo, y no estacionario o transitorio si la temperatura no es constante. Si la temperatura varía en función de una, dos o tres coordenadas espaciales, tenemos que puede ser unidimensional, bidimensional o tridimensional respectivamente. ! ! ! ! ! !18 TRABAJO FINAL DE MÁSTER (2.1.3.B) 2.3. Conducción ! Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una transferencia de energía desde el punto de mayor temperatura hacia el de menor temperatura y viene expresado por la siguiente ecuación: ! q / a = dt / dx ! Cuando se introduce la constante de proporcionalidad: ! q = - kA dt / dx ! Donde q es el flujo de calor y dt / dx es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo del calor. La constante positiva k se llama conductividad térmica del material, y viene seguida por el signo menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica; el flujo debe fluir de la región de mayor temperatura a la región de menor temperatura. Esto se conoce como Ley de Fourier y, aplicada a un sólido de manera simplificada (fig. 2.3) puede describirse como: ! Energía que entra por conducción a través de la cara izquierda + Calor generado en el interior del elemento = Variación de la energía interna + Energía que sale por conducción a través de la cara derecha ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Figura 2.3: Volumen elemental para el análisis de la conducción de calor unidimensional [1] ! ! ! ! ! ! !19 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 2.4. Convección ! El gradiente de temperaturas depende de la rapidez a la que el fluido se lleva el calor; una velocidad alta produce un gradiente de temperaturas grande, etc. Así pues, el gradiente de temperaturas en una pared depende del campo de velocidades, aunque conviene recordar que el mecanismo físico de la transferencia de calor en la pared es un proceso de conducción. Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton de enfriamiento: ! qc = hc A (Tp - T∞) ! Aquí el flujo transferido se relaciona con la diferencia global de temperaturas entre la pared y el fluido, y el área A de la superficie. La magnitud hc se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección y viene definido por la figura 1, Tp es la temperatura de la superficie y T∞ es la temperatura ambiente. Figura 2.4: Transferencia de calor por convección desde una placa [1] ! ! En numerosas situaciones se determina experimentalmente. Se expresa en vatios por metro cuadrado y por grado Celsius, cuando el flujo de calor se expresa en watios. Como se aprecia en la figura 21 la transferencia de calor por convección dependerá de la viscosidad del fluido además de las propiedades térmicas del fluido (conductividad térmica, calor específico, densidad). Esto sucede porque la viscosidad influye en el perfil de velocidades y, por tanto, en el flujo de energía en la región próxima a la pared. En la tabla 1.2 se dan valores aproximados del coeficiente de transferencia de calor por convección. ! La velocidad varía desde su valor inicial cero, que aparece sobre la superficie hasta un valor final M∞ que se mantiene constante asociado al flujo. Esta variación de velocidades define el espesor de la capa límite. También podemos considerar como capa limite la formada por la variación de temperaturas que existe entre la superficie y el fluido, así tenemos la capa límite térmica. !20 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Tabla 2.1. Valores aproximados de coeficientes de transferencia de calor por convección [1] ! ! ! 2.5. Radiación ! La radiación térmica es una parte de la emisión electromagnética caracterizada por una emisión de luz o de calor. La radiación emitida puede originarse en forma de ondas cortas o en forma de ondas largas. La banda que corresponde a la radiación térmica se encuentra en un rango intermedio que oscila entre 0.1 y 100 micras (1 micra, µ, = 1µm=10-6m). El intercambio de calor entre dos cuerpos depende de la diferencia de temperatura elevada a la cuarta potencia. Otra diferencia significativa entre la radiación y otros tipos de propagación del calor es que no necesita un medio para propagarse. ! La radiación que emite una superficie se origina a partir de la energía térmica de la materia que está limitada por su superficie, y la velocidad a la que libera esta energía por unidad de superficie, denominada potencia emisiva, y viene expresada por la Ley de Stefan-Boltzmann ! E = σ Ts4 ! donde Ts4 es la temperatura absoluta en Kelvin de la superficie y σ es la constante de StefanBoltzman (σ = 5,67 10-8 W/mK4). Esta superficie se denomina radiador ideal o cuerpo negro. ! !21 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Radiación de superficies ideales (negras) Una superficie negra es una idealización basada en la respuesta de una superficie a la radiación térmica incidente. Cuando la radiación incide sobre un cuerpo homogéneo, parte de la energía penetra y otra parte sale reflejada. Una cantidad de radiación solar recibida se absorbe por el propio material, y la otra parte se transmite por el mismo, dependiendo no sólo de la absortividad y transmisividad de sus superficies, sino de su relación geométrica con respecto a los rayos del sol, así como de las sombras y reflejos que se produzcan. Figura 2.5: Transferencia de calor por convección desde una placa [1] ! ρ + α1 + τ = 1 ! donde ρ se define como la reflectividad, α1 la absortividad y τ como la transmisividad. ! Se absorbe sólo una parte y depende del color y la geometría de la superficie receptora. La absorción será baja para colores claros. Una superficie blanca refleja bien las ondas visibles cortas y absorbe las radiaciones de onda larga, o sea refleja la radiación solar y absorbe las radiaciones emitidas por los cuerpos en el ambiente. ! La reflexión puede ser de dos tipos: radiación directa o radiación difusa. La primera son los rayos directos del sol y la segunda, la radiación solar que se difunde en todas direcciones por efecto de los gases y las partículas contenidas en la atmósfera. Por otro lado, la radiación solar, sea directa o difusa, puede llegar reflejada por las superficies cercanas, especialmente el suelo (término denominado albedo). ! En un cuerpo negro toda la radiación es absorbida, por tanto, no existe nunca una reflexión. Otra característica importante de los cuerpos negros es que son perfectos emisores. Una vez alcanzado el estado de equilibrio, el cuerpo negro absorberá y emitirá la misma radiación. ! Y por último, la radiación total emitida por un cuerpo negro está directamente relacionada con su temperatura. !22 TRABAJO FINAL DE MÁSTER œ Figura 2.6: Emisión de un cuerpo negro en función de λT ! ! Radiación de superficies no negras Para entender el comportamiento de las superficies reales debemos compararlas con la situación ideal de “cuerpo negro”. Los factores que influyen en este tipo de superficies son la longitud de onda, la temperatura, el tipo de superficie, el ángulo de incidencia y la distribución espectral de la radiación incidente. ! ! ! 2.6. Factores que influyen en la radiación ! Para el estudio de la radiación global hay que tener en cuenta los siguiente componentes expuestos a continuación: ! Los niveles de radiación que alcanza una determinada superficie vienen condicionados por el ángulo cenital solar (hora del día, posición geográfica y época del año), el contenido total de ozono, la nubosidad, la altitud sobre el nivel del mar, los aerosoles, el albedo o reflectividad de la superficie y otros contaminantes gaseosos. ! La nubosidad también juega un papel muy importante en el factor de la radiación. La nubosidad tiene un efecto plano sobre la radiación UV, de modo que atenúa el espectro en la misma medida !23 TRABAJO FINAL DE MÁSTER para todo el rango sin modificar la estructura espectral. Esta atenuación estará condicionada por el tipo de nube y su desarrollo. La presencia de nubes y el contenido de humedad de la atmósfera hacen que la radiación solar disminuya, pero para el estudio que nos concierne se tomarán valores de radiación a cielo limpio y discriminando la humedad relativa, puesto que su cálculo complicaría la implementación del algoritmo. ! Además de la humedad relativa, existe otra humedad que se deprecia dado que alargaría demasiado el presente trabajo, esta es, la cantidad de agua que es capaz de retener la cubierta. Dicha humedad, modifica el comportamiento de la cubierta de tres maneras: ! -Modifica la inercia térmica del material puesto que cambia la densidad del material. -Afecta a la evaporación de la cubierta ya que se produciría un enfriamiento evaporativo. -Modifica la conductividad térmica, del mismo modo que sucede con la conductividad eléctrica. ! ! ! 2.7. Propiedades de los materiales relacionadas con la radiación ! La radiación térmica es una parte de la emisión electromagnética caracterizada por una emisión de luz o de calor. La radiación emitida puede originarse en forma de ondas cortas o en forma de ondas largas. La banda que ! La emisividad es la propiedad que indica la medida de como un cuerpo radiante emite energía en relación a un cuerpo negro. Esta emisividad se puede cuantificar mediante una fórmula que relacionan la superficie real con el área dA, temperatura Ta, por unidad de tiempo por un ángulo conocido, para un intervalo lambda de longitud de onda. Para el desarrollo del algoritmo se tomarán emisividades conocidas aportadas por el fabricante del material de estudio. ! La absortividad se define como una parte de la energía incidente que es absorbida por una superficie. La absortividad es una propiedad más compleja que la emisividad dado que depende de las características espectrales y direccionales de la radiación incidente y, al igual que en el casi anterior se tomará como un dato a efectos de simplificar el cálculo. ! La reflexividad depende del ángulo de incidencia que llega a la superficie y las características direccionales de la energía reflejada. Para el estudio de las cubiertas descritas a continuación se calculará como el recíproco de la absortividad. ! !24 TRABAJO FINAL DE MÁSTER La mayoría de los cuerpos no metálicos tiene un coeficiente de absorción alto. Las superficies metálicas son malas absorbentes. Si dos superficies una blanca y otra brillante son expuestas a la radiación solar ambas reflejarán y absorberán la misma cantidad de calor; pero la superficie blanca remitirá mucho del calor absorbido, mientras que la brillante no, por lo que alcanzará una temperatura mucho más alta. La superficie blanca teórica tiene el máximo valor del coeficiente de reflexión, r=1 y la mínima absorción, a=0. Por otro lado, la superficie negra teórica tiene el mínimo valor de reflexión, r=0 y la máxima absorción, a=1. Por tanto, podemos deducir que la absortividad de un material es recíproco a su reflectividad. ! Las propiedades de emisividad, absortividad, reflectividad y transmisividad son fundamentales para entender el fenómeno de la radiación térmica y el funcionamiento del algoritmo de estudio. ! ! ! Tabla 2.2. Reflectividad de superficies de diferentes materiales constructivos [12] ! ! ! MATERIAL DE SUPERFICIE REFLECTIVIDAD Plata brillante 93 Aluminio brillante 85 Cal 80 Cobre brillante 75 Plancha de cromo 72 Pintura croma blanca 71 Mármol blanco 54 Pintura verde clara 50 Pintura de aluminio 45 Piedra caliza 43 Madera clara 40 Asbesto cemento 29 Ladrillo arcilla roja 23-30 Pintura gris 25 Hierro galvanizado oxidado 10 Negro mate 3 !25 TRABAJO FINAL DE MÁSTER CASO 3 (1) Forjado unidireccional con un canto de 300 mm y un peso de 333 kg/m2, incluyendo capa de compresión y viguetas de hormigón. (2) Lana de roca ISOVER, revestido en una de sus caras con un complejo de oxiasfalto y un film de polietileno termofusible. Figura 3.4: Detalle de cubierta plana transitable ventilada con AT ! Para el tercer caso de estudio se investiga una cubierta más compleja que mejorará de antemano la temperatura interior del edificio. Esto es, la cubierta ventilada, en la cual se prevé una cámara de aire que aisle gracias a su baja conductividad. La investigación esta enfocada hacia el conocimiento del espesor óptimo de la cámara de aire, para tener la certeza de cuando estamos sobredimensionando dicha cámara y cuando el espesor es muy pequeño para disminuir la temperatura del exterior al interior. ! !! ! ! !! ! ! ! ! ! ! CUBIERTA VENTILADA TRANSITABLE Materiales Densidad (kg*m Conductividad (m Cap. Calorífica (J/kg*K) 1. Forjado unidireccional de semiviguetas y bovedillas 1110 R=0,32 800 2. Aislamiento térmico - 0,039 800 3. Cámara de aire 1,217 0,026 1005 4. Baldosa cerámica 2000 1,00 800 !32 TRABAJO FINAL DE MÁSTER CASO 4 (1) Forjado unidireccional con un canto de 300 mm y un peso de 333 kg/m2, incluyendo capa de compresión y viguetas de hormigón. Figura 3.8: Detalle de cubierta ventilada mediante juntas de pavimento ! El cuarto caso es una solución experimental a través de una cubierta que se autoventila por medio de las juntas del pavimento. La idea consiste en crear una circulación de aire entre el pavimento y las juntas del mismo, desplazando cada pieza de 2 a 3 cm de modo que exista ventilación y que la junta no sea demasiado ancha para que no pierda funcionalidad. Se plantea una ventilación entre las juntas del pavimento y otra vía de investigación en la que la propia pieza se autoventile por la geometría que la define. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CUBIERTA VENTILADA MEDIANTE JUNTAS DEL PAVIMENTO Materiales Densidad (kg*m Conductividad (m Cap. Calorífica (J/kg*K) 1. Forjado unidireccional de semiviguetas y bovedillas 1110 R=0,32 800 2. Cámara de aire 1,217 0,026 1005 3. Baldosa poliestireno expandido (EPS) 15 0,037 100 !33 TRABAJO FINAL DE MÁSTER CASO 5 (1) Forjado unidireccional con un canto de 300 mm y un peso de 333 kg/m2, incluyendo capa de compresión y viguetas de hormigón. (2) Lana de roca ISOVER, revestido en una de sus caras con un complejo de oxiasfalto y un film de polietileno termofusible. (3) Pavimento aislante y drenante compuesto por una base de poliestireno extruído (XPS) y una capa de hormigón poroso de altas prestaciones (HPAP). Figura 3.9: Detalle de cubierta ventilada mediante losa FILTRON ! El quinto y último caso es una solución más desarrollada que la anterior, ya que además de la cámara ventilada se coloca un doble aislamiento térmico que provoca una ventilación natural manteniendo el interior lo más hermético posible. La segunda capa de aislamiento realizada con losa tipo FILTRON se sostiene mediante plots, y es capaz de ventilar a través de la cámara ventilada y la separación que existe entre las juntas de cada pieza. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! CUBIERTA VENTILADA CON LOSA FILTRON Materiales Densidad (kg*m Conductividad (m Cap. Calorífica (J/kg*K) 1. Forjado unidireccional de semiviguetas y bovedillas 1110 R=0,32 800 2. Mortero de áridos ligeros (perlita) 1000 0,41 1000 3. Aislamiento térmico - 0,039 800 4. Cámara de aire 1,217 0,026 1005 5. Losa FILTRON 32 0,029 100 !34 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 4. MODELADO Y SIMULACIÓN DE LA CUBIERTA ! 4.1. Modelo físico y matemático ! La modelización del comportamiento térmico de la cubierta consiste en definir un sistema de ecuaciones algebraicas que permita conocer la temperatura superficial del material incorporando el factor de la radiación en función del tiempo. ! Para el desarrollo del modelo se han tenido en cuenta las siguientes hipótesis de partida: ! -Transferencia unidimensional, ya que solo consideramos la transferencia de calor a lo largo del espesor de la cubierta (eje z). -Régimen estacionario (R, T, constantes en el instante de mayor radiación diaria) -Variables termofísicas constantes (Cp, k = cte) -No existe fuente interna que genere calor -Conservación de la energía dentro del sistema ! La formulación matemática en problemas de transmisión de calor en el interior de los materiales se rige por la ecuación diferencial que surge de sustituir la expresión del flujo de calor (campo vectorial) en la ecuación de conservación de la energía. Por definición de flujo σ = -k grad T, es el flujo que se produce por la variación de T, ! ! ! siendo T la temperatura, el flujo de calor al transmitirse el calor en el interior de los materiales por proceso de conducción de calor, siendo K la conductividad térmica del material. En realidad, la definición de flujo de calor corresponde también a la ecuación general denominada ecuación constitutiva, la cual nos dice que “cualquier variación de una variable de estado T produce un flujo proporcional al gradiente de dicha variable T, siendo la función de proporcionalidad característica del medio”. En nuestro caso esta función es K, la conductividad térmica del material [W/m K], siendo la variable de estado (variable incógnita en nuestro trabajo) la temperatura. ! En general K = K (x, y, z, T), se puede aproximar por una constante en ciertos materiales y determinados rangos de temperatura. ! Por otro lado, tenemos la ley de conservación de la energía que nos dice que la divergencia del flujo es igual a las fuentes de calor en el interior del material, por tanto, ! !35 TRABAJO FINAL DE MÁSTER (4.1.1) div (-K grad T) = q ! En materiales anisótropos (caso general) la función de proporcionalidad K puede ser diferente en las distintas direcciones del flujo, aunque para muchos materiales y aplicaciones podemos considerar que los materiales son isótopos, es decir, conducen el calor en igual intensidad en cada dirección: ! entonces, , y por definición de la divergencia queda expresada en una ecuación diferencial en derivadas parciales: Considerando las conductividades valores constantes, para el rango de temperaturas de nuestras aplicaciones, tendremos: ! Para definir el modelo [3] se considera un tipo de cubierta con un número i de capas paralelas como se refleja en la fig 1, la superficie exterior del forjado queda expuesta a radiación solar E(t) y a la temperatura ambiente exterior To (t). Se considera la ecuación de transmisión de calor por conducción, siendo ki la conductividad térmica de cada material i: ! ! ! ! Dicha superficie exterior de la cubierta recibe el flujo de calor de ondas de longitud de onda corta por incidencia de la radiación solar, interviniendo la reflectividad solar de la superficie. Asimismo la cubierta está sometida también a procesos de flujo de calor por convección con el aire exterior, que aumenta con el viento y al flujo de calor por radiación térmica con longitud de onda larga desde la atmósfera (con el cielo): ! !36 TRABAJO FINAL DE MÁSTER (4.1.2) (4.1.3) (4.1.4) (4.1.5) (4.1.6) Dentro del espacio de estudio, la temperatura interior Tint se considera constante, tomada directamente del MABICAN para un determinado grado de confort, y se aplica una transferencia de calor por convección entre la cubierta y el interior. También se ha decidido aplicar una temperatura constante al suelo para delimitar la región de estudio y, se toma un valor standard de 22 ºC, si bien hemos considerado dos temperaturas exteriores distintas, 28ºC y 35ºC en el análisis comparativo de los resultados obtenidos de la temperatura que se alcanza a 1 m sobre el suelo para los distintos diseños de las cubiertas. ! Se ha implementado la formulación integral de las ecuaciones anteriores en el software del método de elementos finitos libre denominado FreeFem++ y siguiendo las enseñanzas recibidas, prácticas y ejemplos, de los cursos del master, cursos FEE y EMAE. ! Una vez definido el mallado, se realiza la discretización geométrica por elementos finitos triangulares en las distintas regiones consideradas que representa nuestra cubierta de estudio, se implementa el algoritmo en función de las propiedades del forjado, tales como la conductividad térmica k (W/K), la difusividad térmica α y la reflectividad solar γ, así como la transferencia interior y exterior de las condiciones del ambiente. Además, se asumen dos premisas para simplificar la transferencia de calor por conducción. La primera de ellas es que la transferencia de calor solo se produce a través de la perpendicular del forjado [3]. La segunda es tomar todos los puntos del material que compone el forjado como homogéneos, por lo que sus propiedades térmicas son constantes. ! ! La ecuación que gobierna el sistema, es la ecuación de condición de flujo de calor en el contorno superior de la cubierta (material 1): ! La transferencia de calor por convección entre la cubierta y el exterior, se calcula mediante la diferencia de temperatura (T1 - T0) entre la cara exterior del forjado y el ambiente exterior, expresada mediante: ! qconv = hc (T1 - T0) ! donde hc es el coeficiente de convección (W/m2 K) en la cara exterior del forjado, que podemos obtener mediante una correlación propuesta por McAdams [10], ! hc (W/m2 K) = 5,7 + 3,8 V, !37 TRABAJO FINAL DE MÁSTER (4.1.7) ! donde V es la velocidad del viento. Tomando como dato la velocidad del viento de un año típico desde la estación localizada en Gando [14], hc es igual a 81,7 W/m2 K. ! ! La transferencia de calor por radiación entre la cubierta y el exterior, se calcula mediante la diferencia de temperatura elevada a la cuarta potencia (T14 - Tcielo4 ) entre la cara exterior del forjado y el ambiente exterior, expresada mediante: ! qrad = σ γ (T14 - Tcielo4 ) ! donde σ es la constante de Stefan-Boltmann con un valor de 5,67 x 10-8 W/m2K4, γ es la emisividad, y Tcielo es la temperatura de cielo definida como la temperatura equivalente de un cuerpo negro que emite globalmente la misma radiación de onda larga que la atmósfera sobre una superficie horizontal. Para la transferencia de calor por radiación de la cubierta a la atmósfera, la correlación empírica para la temperatura de cielo sugerida por Swinbank, ! Tcielo = 0,0552 T01,5 (K) ! Aplicando la metodología del método de elementos finitos se obtiene la denominada formulación variacional, multiplicando por la función test v, integrando y aplicando teoremas de cálculo integral, así para cada región de cálculo Ω: en la última integral sustituimos para el contorno superior de la cubierta la expresión anterior, así dicha superficie se resuelve con la ecuación 4.1.7. ! En las demás superficies la integral de contorno es nula, por considerar simetría o bien temperatura impuesta. En el primer caso la derivada respecto a la normal es nula y para el segundo caso, el suelo, la metodología del método de elementos finitos corresponde a considerar en la construcción del sistema final de ecuaciones algebraicas a resolver (una vez realizada las aproximaciones polinómicas de la incógnita en cada triángulo de la discretización geométrica) que se anule la función matemática auxiliar v en dicho contorno. ! La formulación variacional al ser el problema no lineal (exponente a la cuarta de T) se resuelve linealizándola según método de linealización del punto fijo. ! !38 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 4.2 Cálculo de la influencia del espesor del forjado El análisis de esta solución nos permite optimizar el canto del forjado para evitar un gasto de material innecesario. Se estudiará la importancia del espesor a efectos de reducir la temperatura en el interior de los edificios. ! R = 954 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 28 ºC ! -Solución espesor de 30 cm. ! Temperatura en cubierta = 35.70 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 35.62 ºC Temperatura a 1m del suelo = 26.54m ºC ! ! ! ! !39 TRABAJO FINAL DE MÁSTER ! ! -Solución espesor 15 cm ! ! Temperatura en cubierta = 35.70 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 35.65 ºC Temperatura a 1m del suelo = 26.55 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !40 TRABAJO FINAL DE MÁSTER R = 954 W/m2 α = 0.12 (pinturas blancas) Text = 28 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! !41 TRABAJO FINAL DE MÁSTER -Solución espesor 15 cm ! Temperatura en cubierta = 28.65 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 28.62 ºC Temperatura a 1m del suelo = 24.21 ºC -Solución espesor 30 cm ! Temperatura en cubierta = 28.65 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 28.61 ºC Temperatura a 1m del suelo = 24.20 ºC Localización: Pamplona R = 724 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! R = 724 W/m2 α = 0.55 (ladrillo rojo claro cerámico) Text = 35 ºC ! ! ! ! !48 TRABAJO FINAL DE MÁSTER -Solución aislamiento térmico encima ! Temperatura en cubierta = 40.64 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 34.62 ºC Temperatura a 1m del suelo = 26.20 ºC -Solución aislamiento térmico debajo ! Temperatura en cubierta = 40.64 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 34.74 ºC Temperatura a 1m del suelo = 26.25 ºC -Solución aislamiento térmico debajo ! Temperatura en cubierta = 38.99 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 33.61 ºC Temperatura a 1m del suelo = 25.87 ºC -Solución aislamiento térmico encima ! Temperatura en cubierta = 38.99 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 33.50 ºC Temperatura a 1m del suelo = 25.83 ºC R = 724 W/m2 α = 0.12 (pinturas blancas) Text = 35 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !49 TRABAJO FINAL DE MÁSTER -Solución aislamiento térmico debajo ! Temperatura en cubierta = 35.42 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 31.17 ºC Temperatura a 1m del suelo = 25.06 ºC -Solución aislamiento térmico encima ! Temperatura en cubierta = 35.42 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 31.08 ºC Temperatura a 1m del suelo = 25.03 ºC 4.4. Cálculo con diferentes espesores en la cámara ventilada La cubierta ventilada contribuye a reducir la temperatura en el interior del edificio pero es necesario conocer el espesor óptimo de la cámara de aire para que no produzca un efecto contrario al que queremos conseguir. La relación entre el aislante térmico y la cámara de aire permite un mayor ahorro energético, lo que se traduce en un menor costo económico. Para estudiar este caso se mantiene constante absortividad, ya que se demuestra en casos anteriores los beneficios que aporta en cada solución. Se analizarán los cambios que se producen al variar los factores de radiación y temperatura para demostrar cual de los dos es el más perjudicial. ! -Solución cámara ventilada de 10 cm. ! 07:52 R = 522 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC !50 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Temperatura en cubierta = 38.94 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 38.14 ºC Temperatura a 1m del suelo = 27.37 ºC ! ! ! 09:52 R = 835 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC ! Temperatura en cubierta = 41.62 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 40.71 ºC Temperatura a 1m del suelo = 28.22 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! !51 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 11:52 R = 954 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC ! ! ! Temperatura en cubierta = 42.65 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 41.68 ºC Temperatura a 1m del suelo = 28.56 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !52 TRABAJO FINAL DE MÁSTER -Solución cámara ventilada de 5 cm. ! 07:52 R = 522 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC ! ! ! Temperatura en cubierta = 38.94 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 38.41 ºC Temperatura a 1m del suelo = 27.46 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !53 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 09:52 R = 835 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC ! ! Temperatura en cubierta = 41.63 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 41.01 ºC Temperatura a 1m del suelo = 28.32 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !54 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 11:52 R = 954 W/m2 α = 0.75 (ladrillo rojo cerámico) Text = 35 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Temperatura en cubierta = 42.65 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 42.00 ºC Temperatura a 1m del suelo = 28.66 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !55 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 07:52 R = 522 W/m2 α = 0.12 (pinturas blancas) Text = 35 ºC ! ! Temperatura en cubierta = 35.16 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 34.75 ºC Temperatura a 1m del suelo = 26.24 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !56 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 09:52 R = 835 W/m2 α = 0.12 (pinturas blancas) Text = 35 ºC ! ! ! Temperatura en cubierta = 35.59 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 35.17 ºC Temperatura a 1m del suelo = 26.39 ºC ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !57 TRABAJO FINAL DE MÁSTER ! -Separación de juntas 3 cm -Separación de juntas 5 cm ! ! ! ! ! ! ! ! 11:52 R = 954 W/m2 α = 0.12 (pinturas blancas) Text = 35 ºC ! ! -Separación de juntas 1 cm ! Temperatura en cubierta = 35.76 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 21.93 ºC Temperatura a 1m del suelo = 21.97 ºC ! ! -Separación de juntas 3 cm ! Temperatura en cubierta = 35.76 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 21.93 ºC Temperatura a 1m del suelo = 21.97 ºC ! ! ! -Separación de juntas 5 cm ! Temperatura en cubierta = 35.76 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 21.93 ºC Temperatura a 1m del suelo = 21.97 ºC !! ! ! ! ! ! ! ! ! !64 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Temperatura en cubierta = 42.64 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 21.93 ºC Temperatura a 1m del suelo = 21.97 ºC Temperatura en cubierta = 42.65 ºC Temperatura en cara interior cubierta = 21.93 ºC Temperatura a 1m del suelo = 21.97 ºC 5. CONCLUSIONES ! 5.1. Resumen ! Las conclusiones que se pueden extraer del presente TFM reflejan la importancia que tiene la arquitectura pasiva en la actualidad, con el fin de reducir el consumo energético de los edificios y las emisiones de CO2 hacia la atmósfera. Un análisis previo durante la fase de proyecto puede significar un ahorro sustancial a lo largo de la vida útil del edificio, eliminando sistemas de refrigeración o al menos minimizando su uso, lo que nos conduciría a un descenso del 40% de la energía consumida en la edificación. ! Este análisis siempre está sujeto a una normativa de obligado cumplimiento, el Código Técnico de la Edificación (CTE), la cual nos limita los valores mínimos y máximos de transmitancia térmica para determinadas soluciones constructivas en función de la severidad climática que le afecte. La raíz del problema se encuentra precisamente en la zonificación de España ya que no se tiene en cuenta el factor de radiación solar. El CTE no pondera dicha variable con el peso suficiente, de modo que las regiones situadas próximas al ecuador, no cumplen las expectativas de confort térmico que se pretenden alcanzar con las soluciones impuestas por la normativa. ! Por este motivo, se plantean diferentes estrategias que contribuyan a reducir la temperatura en el interior de los edificios, algunas con más repercusión que otras pero, en cualquier caso, el análisis previo indica la eficiencia que nos aporta cada una de ellas. Todas las soluciones analizadas de manera individual consiguen disminuir la temperatura interior en cuestión, sin embargo, la simultaneidad entre determinadas soluciones es la clave para provocar grandes descensos de temperatura hacia el interior de la envolvente. ! A continuación, se presentan los resultados obtenidos para cada una de las soluciones y se relacionan diferentes parámetros con el fin de lograr cubiertas eficientes desde el punto de vista energético. ! ! ! ! ! ! ! ! !65 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 5.2. Resultados y conclusiones ! Caso 1 ! Caso 2 ! ! ! Caso 3 ! ! ! INFLUENCIA ESPESOR DEL FORJADO R = 954 W/m2 Solución espesor 30 cm Solución espesor 15 cm α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 T = 28 26,54 24,20 T = 28 26,55 24,21 T = 35 28,89 26,56 T = 35 28,90 26,57 DIFERENTES POSICIONES DEL AISLAMIENTO TÉRMICO R = 954 W/m2 Solución aislamiento térmico debajo Solución aislamiento térmico encima α = 0,75 α = 0,55 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,55 α = 0,12 T = 28 25,08 24,59 23,51 T = 28 25,05 24,56 23,50 T = 35 26,70 26,20 25,13 T = 35 26,65 26,16 25,10 DIFERENTES POSICIONES DEL AISLAMIENTO TÉRMICO R = 724 W/m2 Solución aislamiento térmico debajo Solución aislamiento térmico encima α = 0,75 α = 0,55 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,55 α = 0,12 T = 35 26,25 25,87 25,06 T = 35 26,20 25,83 25,03 DIFERENTES ESPESORES DE LA CÁMARA VENTILADA α = 0,75 Solución cámara ventilada de 10 cm Solución cámara ventilada de 5 cm 522 835 954 522 835 954 T = 35 27,37 28,22 28,56 T = 35 27,46 28,32 28,66 DIFERENTES ESPESORES DE LA CÁMARA VENTILADA α = 0,12 Solución cámara ventilada de 5 cm Solución cámara ventilada de 5 cm 522 835 954 522 835 954 T = 35 27,46 28,32 28,66 T = 35 26,24 26,39 26,43 !66 TRABAJO FINAL DE MÁSTER ! ! Caso 4 ! ! ! Caso 5 Resultados de temperatura interior a 1 m sobre el suelo ! ! Resultados de temperatura en la cara exterior del forjado ! ! ! En primer lugar se demuestra la importancia de la absortividad en beneficio del ahorro material. Un mayor aumento del espesor del forjado de 15 a 30 cm implica una reducción de la temperatura en 0,1 ºC, lo cual nos lleva a pensar que la elección de un material de baja absortividad con un color claro es más eficiente que un aumento de la sección del material. La mejora entre la utilización de un material de alta absortividad y otro de baja absortividad, es evidente ya que se reduce la temperatura en 2,5 ºC, con temperaturas exteriores que oscilan entre 28 y 35 ºC. ! ! ! ! ! VENTILACIÓN A TRAVÉS DE LAS JUNTAS DE PAVIMENTO R = 954 W/m2 Juntas de 1 cm Juntas de 3 cm Juntas de 5 cm α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 T = 35 26,83 24,62 T = 35 26,02 23,83 T = 35 25,56 23,38 SOLUCIÓN LOSA FILTRON R = 954 W/m2 Juntas de 1 cm Juntas de 3 cm Juntas de 5 cm α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 T = 35 22,00 22,00 T = 35 22,00 22,00 T = 35 22,00 22,00 SOLUCIÓN LOSA FILTRON R = 954 W/m2 Juntas de 1 cm Juntas de 3 cm Juntas de 5 cm α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 α = 0,75 α = 0,12 T = 35 42,65 35,76 T = 35 42,65 35,76 T = 35 42,65 35,76 !67 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Figura 5.2.1: Comparativa entre cubiertas con diferente sección ! ! El segundo caso confirma un dato que conocíamos de antemano, ya que el aislante térmico es conveniente colocarlo en la capa externa si queremos disipar el calor antes de que entre en el edificio, aunque la variación sea mínima. Con esta solución, se reduce la temperatura en torno a 0,05 ºC. Sin embargo, volvemos a observar que los grandes saltos de temperatura se producen cuando aplicamos materiales con baja absortividad y alta reflectancia. ! En zonas frías nos podemos plantear la situación inversa al colocar el aislamiento térmico, ya que es necesario aportar calor en el interior del edificio. Figura 5.2.2: Comparativa con diferente posicionamiento del AT !68 TRABAJO FINAL DE MÁSTER En el tercer caso se analizan dos soluciones de cámara ventilada de 5 y 10 cm, y se puede observar que una cámara de aire con un pavimento de ladrillo cerámico oscuro es una mala solución por la alta absortividad del acabado, ya que no entra dentro del rango de confort existente para la zona de estudio según MABICAN. La temperatura desciende ligeramente, en torno a 1 ºC, al aumentar el espesor de 5 a 10 cm. Figura 5.2.3: Comparativa para diferentes espesores de la cámara ventilada ! ! ! ! ! El cuarto caso, es bastante acertado ya que las juntas del pavimento permiten el paso del aire para conseguir reducir la temperatura en el interior de la zona de estudio. Con esta solución la temperatura desciende a medida que aumentamos el espesor de las juntas del pavimento, logrando así 26,83 ºC, 26,02 ºC y 25,56 ºC, para una separación de juntas de 1, 3 y 5 cm, respectivamente. Esto quiere decir que a mayor separación del pavimento ventilado menor será la temperatura interior. La solución se mejora al aplicar materiales con alta reflectancia (α = 0.12), consiguiendo descensos de temperatura de 1,20 ºC. ! ! ! ! ! ! ! ! !69 TRABAJO FINAL DE MÁSTER Figura 5.2.4: Comparativa entre diferentes separaciones de la junta del pavimento ! ! El quinto y último caso, ofrece los resultados más satisfactorios para reducir la temperatura en el interior del edificio. Para los tres ejemplos con diferentes absortividades se obtiene una temperatura interior menor a los 22º C, todas muy similares. La combinación entre la cámara y las juntas ventiladas, con un pavimento elevado de baja conductividad térmica, Esto refleja que la solución tiende a estabilizarse al disminuir tanto la temperatura y, ni la separación de las juntas del pavimento, ni el cambio de absortividad implican variaciones con una gran repercusión en la solución final. Figura 5.2.5: Comparativa entre diferentes separaciones de la junta del pavimento (losa FILTRON) !70 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 5.3. Comentarios finales ! A lo largo de la investigación de este TFM se ha demostrado que la actual normativa vigente en España para la edificación (CTE) , carece de un modelo real para Canarias, por lo que es necesaria una actualización que incorpore la variable de radiación con el peso suficiente para definir correctamente las zonas climáticas del DB HE. ! Aceptando esta premisa, las simulaciones realizadas con el software FreeFem nos aporta unos resultados que contribuyen al ahorro energético y afirman con rotundidad la importancia de la arquitectura pasiva en la edificación: ! -Los materiales con baja absortividad y colores claros contribuyen favorablemente a disipar la radiación en la capa más externa de la cubierta. ! -El aumento de la sección del forjado supone un gasto material que no compensa con la reducción de temperatura que aporta. ! -En climas subtropicales el aislamiento térmico colocado en la capa superior, siempre implica un descenso de temperatura mayor que colocarlo por debajo del resto de materiales que componen la cubierta. ! -Una solución de cubierta con una cámara ventilada sin una refrigeración correcta, funciona peor que una solución de cubierta tradicional con el AT idóneo. ! -Una cubierta que permita la ventilación a través de sus juntas contribuye de manera positiva al enfriamiento de la cubierta, disminuyendo la temperatura de manera inversamente proporcional a la separación del pavimento. ! -Si a la solución anterior de cámara de aire más juntas autoventiladas le sumamos un pavimento tipo losa filtron con un AT, la reducción de temperatura es máxima, llegando a los 22ºC con una Text de 35º C. ! ! ! ! ! ! ! ! ! !71 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 6.BIBLIOGRAFIA ! [1] Holman, J.P. (1998). Transferencia de calor (8ª Edición). Madrid: McGRAW-HILL. ! [2] Ramamurthy, P., Sun, T., Rule, K., & Bou-Zeid, E. (Junio 2015). The joint influence of albedo and insulation on roof performance: A modeling study. New York. ! [3] Shanshan Tong., Hua Li, Kishor T., Man Pun Wan., Swee Khian Wing et al (Febrero 2014). Thermal performance of concrete-based roofs in tropical climate. Singapore. ! [4] Stephan K. and Laesecke A. (1985). The thermal conductivity of Fluid Air. Stuttgart. ! [5] Hecht, Frédéric. FreeFem ++(3ª Edición). París, Francia. ! [6] Alqallaf H.J., Alawadhi E.M (Enero 2013). Concrete roof with cylindrical holes containing PCM to reduce the heat gain. Kuwait. ! [7] Lago Navia D. (Abril 2012). Caracterización térmica de la fachada de un edificio histórico en Valencia. Valencia. ! [8] De Luxán García de Diego, Margarita, Reymundo Izard, Araceli(Marzo 2013). Manual de diseño bioclimático para Canarias. España. ! [9] W.H. McAdams (1954). Heat Transmission (3ª edición). Nueva York: McGRAW-HILL. 339-348. ! [10] W.C. Swinbank, Long-wave radiation from clear skies, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 89 (1963). 339-348. ! [11] MINISTERIO DE VIVIENDA. Código Técnico de la Edificación (Marzo 2010). Catálogo de elementos constructivos del CTE. Instituto Eduardo Torroja. Madrid. ! [12] MINISTERIO DE VIVIENDA. Código Técnico de la Edificación. (Septiembre 2013). Documento Básico HE1. Limitación de la demanda energética. Madrid. ! [13] Datos de radiación solar. [en línea]. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php? map=africa (consulta, 13 de Septiembre de 2015) ! [14] Datos de viento. [en línea]. http://www.windguru.cz/es/index.php?sc=238 (consulta, 13 de Septiembre de 2015) ! !72 TRABAJO FINAL DE MÁSTER 7. ANEXOS. ! 7.1. Anexo I. Mallado de soluciones con Freefem Figura 7.1: Caso 2 AT encima Figura 7.2: Caso 2 AT debajo ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !73 TRABAJO FINAL DE MÁSTER ! G: Global irradiance on a fixed plane (W/m2) Gd: Diffuse irradiance on a fixed plane (W/m2) Gc: Global clear-sky irradiance on a fixed plane (W/m2) DNI: Direct normal irradiance (W/m2) DNIc: Clear-sky direct normal irradiance (W/m2) A: Global irradiance on 2-axis tracking plane (W/m2) Ad: Diffuse irradiance on 2-axis tracking plane (W/m2) Ac: Global clear-sky irradiance on 2-axis tracking plane (W/m2) ! ! ! ! 7.2. Anexo III. Datos de viento ! Estadísticas basadas en observaciones medidas del 10/2000 - 09/2015 diariamente entre 7 am y 7 pm hora local. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! MEDIA AÑO TÍPICO SEGÚN ESTACIÓN DE GANDO Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agost Septie Octu Nov Dic 12 14 15 16 18 20 24 22 16 13 13 11 !80 TRABAJO FINAL DE MÁSTER