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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
MEMORIA RESUMEN DEL PROYECTO
27 de Febrero de 2015
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© Agencia de Obra Pública de la Junta de Andalucía. Consejería Fomento y Vivienda. Junta de Andalucía.
Director del Proyecto por parte de la Consejería de Fomento y Vivienda: Juan Manuel Garcia Blanco
Gerente del Proyecto por parte de la Agencia de Obras Publicas: Maria Jose Sierra López
EQUIPO INVESTIGADOR
Universidad de Sevilla
Grupo de Termotecnia
Servando Álvarez Domínguez (IP)
Jose Luis Molina Félix
Jose Manuel Salmerón Lissén
Alicia Frades Sanz
Universidad de Cádiz
Grupo de Grupo de Máquinas y Motores Térmicos
Francisco Sanchez de la Flor
Alejandro Rincón Casado
Álvaro Ruíz Pardo
Jose Sanchez Ramos
Estudio de Arquitectura SAMLER
Rafael Salmerón Lissén
Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA)
César Bartolomé Muñoz
Ricardo López Perona
Arturo Alarcón
Colaboraciones
Universidad de Granada
Julián Arcos Díaz
Universidad de Sevilla
Ángela Barrios Padura
Universidad de Bilbao
Iñaki Gomez Arriarán
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Introducción y antecedentes
De acuerdo a los datos del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía (IDAE), la
edificación representa un 24% del consumo total de la energía del país. Un aparte significativa
de este consumo está asociada a la calefacción y a la refrigeración.
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.
1. 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
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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:
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Fachada activa SINHOR modo refrigeración:
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2. Plan de trabajo y cronograma
El trabajo se ha dividido en 8 tareas cuyo desarrollo temporal se incluyen a continuación:
Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb
T0 Coordinación y gestión técnica del proyecto
T1Desarrollo o adaptación de modelos de referencia específicos para
fenómenos de inercia basados en el contorno y la estructura del edificio
Tarea 1.1Estado del arte de modelos de referencia consistentes con los objetivos del
presente proyecto
Tarea 1.2 Desarrollar modelos de referencia de caracterización para la radiacion solar
Tarea 1.3 Desarrollar modelos de referencia de caracterización para la ventilacion nocturna
T2Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia
basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio
Tarea 2.1
Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia
basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio. GALERIAS
ACRISTALADAS
Tarea 2.2
Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia
basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio. FACHADAS
TERMICAMENTE ACTIVAS
Tarea 2.3
Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia
basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio. FORJADOS
TERMICAMENTE ACTIVOS
T3 Validación de modelos previos mediante ensayos
Tarea 3.1 Diseño y montaje de caseta con cerram. de referencia
Tarea 3.2 Ensayos como caseta de referencia
Tarea 3.3 Montaje cerramiento para ensayos de verano
Tarea 3.4 Ensayo en régimen de verano
Tarea 3.5 Ensayo enfriamiento del forjado
Tarea 3.6 Montaje de cerramiento para ensayo de invierno
Tarea 3.7 Ensayo en régimen de invierno
Tarea 3.8 Finalización del ensayo de invierno
T4Desarrollar modelos de caracterización para los fenómenos de inercia
basados en el contorno y la estructura del edificio
Tarea 4.1 Desarrollar modelos de caracterización para la radiacion solar
Tarea 4.2 Desarrollar modelos de caracterización para la ventilacion nocturna
Tarea 4.3
Tablas pre-normativas que sirvan como entrada de datos a software especializados
para el cálculo de la demanda energética teniendo en cuenta la inercia térmica de
los materiales
T5Módulo de cálculo específico para la evaluación de los elementos
innovadores citados en la tarea 2
Tarea 5.1 Estado del arte de modelos consistentes con los objetivos del presente proyecto
Tarea 5.2Integración en un módulo de cálculo que permita evaluar su comportamiento en un
edificio determinado y para unas condiciones climáticas dadas
T6Procedimiento para incluir el módulo de cálculo específico de la tarea 5 en
otras aplicaciones informáticas existentes
T7 Potencial de aplicación de las soluciones propuestas
Tarea 7.1Estudios teóricos y numéricos sobre almacenamiento y restitución de calor de un
componente de la envuelta para las diferentes soluciones
Tarea 7.2Estudios teóricos y numéricos sobre almacenamiento y restitución de calor de
recintos completos
Tarea 7.3
Identificación de las condiciones bajo las cuales las soluciones de hormigón
contempladas permiten cumplir los nuevos requisitos del nuevo código técnico CTE-
HE 2012
Tarea 7.4 Desarrollo del catalogo de soluciones constructivas
T8 Explotación y difusión de los resultados
2013 2014 2015
Grupo de Trabajo
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3. Productos Finales
3.1 Del Paquete de Trabajo T3: Validación de modelos mediante ensayos
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
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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
Del Paquete de Trabajo T4.- Modelos de caracterización para los fenómenos de inercia
basados en el contorno y la estructura del edificio
Este paquete de trabajo proporciona información a dos niveles: global y de detalles. Para
cada nivel se desarrolla un documento que se agrupan en un único producto final.
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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)
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Producto Final 3.- Software sobre redistribución de radiación solar, renovaciones hora 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 tres
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
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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.
3.2 Del Paquete de Trabajo T5 y T6: Módulo de cálculo específico para la evaluación
de los elementos innovadores.
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 entregable 2. Incluye procedimiento para integración en la Herramienta Unificada
LIDER CALENER. Se adjunta pantalla de definición del modo invierno.
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3.3 Del Paquete de Trabajo T7: Potencial de Aplicación
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/m2 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 m2
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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 m2 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.
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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:
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Ejemplo dela 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.
Invierno Verano
Temperatura Edificio
Convencional Edificio Sinhor
Edificio Convencional
Edificio Sinhor
35ºC<= T < 40ºC 0% 0% 0% 0%
30ºC<= T < 35ºC 0% 0% 12% 3%
27.5ºC<= T < 30ºC 0% 3% 25% 17%
25ºC<= T < 27.5ºC 3% 13% 34% 35%
22.5ºC<= T < 25ºC 10% 13% 24% 37%
20ºC<= T < 22.5ºC 13% 22% 6% 9%
17.5ºC<= T < 20ºC 19% 22% 0% 0%
15ºC<= T < 17.5ºC 21% 23% 0% 0%
10ºC<= T < 15ºC 34% 5% 0% 0%
T < 10ºC 0% 0% 0% 0%
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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.
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Se han revelado asimismo aspectos de mejora que constituirían líneas de trabajo futuras tales
como:
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 Generación de electricidad con paneles fotovoltaicos para eliminar el consumo
asociado a la operación de los ventiladores.
o 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).
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5. Difusión
Las actividades de difusión se han estructurado en tres grupos:
Comunicaciones a congresos y artículos en revistas
Hasta el momento de culminar el periodo de investigación los resultados de la
investigación se han presentado en los 3 congresos internacionales siguientes:
o Eurotherm Seminar #99 Advances in Thermal Energy Storage
PAPER TITLE: “Reducing heating and cooling energy needs through an
innovative daily storage based solution”. Servando Álvarez
Domínguez1, Rafael Salmerón Lissén
1, Álvaro Ruiz-Pardo
2, José
Sanchez Ramos2. // 1 Grupo de Termotecnia, Escuela de Ingenieros, Seville, Spain,
e-mail: [email protected] , [email protected], 2 University of Cadiz, Cádiz Spain.
o 35TH
AIVC-4TH
TIGHTVENT & 2ND
VENTICOOL
CONFERENCE, 2014. PAPER TITLE: “Reducing cooling energy needs through an innovative
daily storage based facade solution” Servando Álvarez Domínguez*1
,
Rafael Salmerón Lissén1, Álvaro Ruiz-Pardo
2, José Sanchez Ramos
2, and
Javier García Ramos1 //1 Universidad de Sevilla (Seville University) Escuela
Tecnica Superior de Ingenieros Seville, Spain *Corresponding author: [email protected]
2 Universidad de Cádiz (Cadiz University) Cádiz, Spain.
o World Sustainable Building 2014 Barcelona. PAPER TITLE: “Edificios sostenibles de bajo consumo energético
mediante el uso de soluciones innovadoras de almacenamiento de calor”.
Servando Álvarez Domínguez1, Rafael Salmerón Lissén
1, Álvaro Ruiz -
Pardo2, José Sanchez Ramos
2. // 1 Grupo de Termotecnia, Escuela de Ingenieros,
Seville, Spain, e-mail: [email protected] , [email protected], 2 University of Cadiz, Cádiz
Spain.
Estando prevista una batería de publicaciones mucho más amplia en un futuro
inmediato.
Jornadas de difusión en Sevilla y en Málaga durante el segundo trimestre de 2015.
Página web
Los productos finales antes referenciados por entregables son difundidos a través de la
web del IECA con un compromiso de actualización y mantenimiento de dos años en la
siguiente dirección:
www.ieca.es
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