Estudio del comportamiento térmico de una construcción para ensayos al aire libre

PROYECTO FIN DE GRADO: INGENIERÍA EN EDIFICACIÓN ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE AUTOR: Javier Santamaría Gomis TUTORES: José Luís Vivancos Bono Carolina Aparicio Fernández Valencia, Junio de 2011 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN (Pág. 1) 2. OBJETIVOS (Pág. 10) 3. MATERIAL Y MÉTODO (Pág. 11) 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES (Pág. 36) 5. BIBLIOGRAFÍA (Pág. 52) PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 1 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA 1. INTRODUCCIÓN El mundo está cambiando con mayor velocidad que nunca. Los avances en ciencia y tecnología han mejorado nuestra calidad de vida, pero también han puesto en cuestión el frágil equilibrio del medio ambiente. El cambio climático de la Tierra ya no es un concepto lejano, sino una amenaza real en el futuro de la humanidad. La Tierra recibe toda su energía del Sol. Esta energía es retenida parcialmente dentro de la atmósfera de la Tierra por los gases de efecto invernadero que absorben la radiación infrarroja y evitan que se disipe nuevamente hacia el espacio. Así, el efecto invernadero, es un fenómeno natural y esencial para mantener la vida en la Tierra: guarda la temperatura de nuestra atmósfera en el entorno de los 15ºC. Las actividades humanas, sin embargo, han estado produciendo cantidades crecientes de gases de efecto invernadero, sobre todo por el uso de combustibles fósiles, tales como petróleo, gas y carbón. Al aumentar la concentración de gases de efecto invernadero, se aumenta la retención de radiación infrarroja en la atmósfera, lo que produce el calentamiento global. Hoy, le emitimos dos veces la cantidad de gas de efecto invernadero que se puede absorber de un modo natural por los océanos y los ecosistemas de la Tierra. Tenemos que reducir las emisiones de gas de efecto invernadero; por tanto, reducir nuestro consumo de combustibles fósiles. La energía más rentable es la energía no consumida. La calefacción y el aire acondicionado son los responsables principales de las emisiones de gases de efecto invernadero en los edificios, que en Europa producen el 30% de todas las emisiones, equivalente a unos 842 millones de CO2 cada año (casi dos veces el objetivo de Kyoto). Pero el sector de la edificación tiene un sustancial potencial de mejora. Según EURIMA (Asociación Europea de Fabricantes de Lanas Minerales), usando técnicas y sistemas de aislamiento adecuados, tanto en la construcción de edificios nuevos como en la rehabilitación de los existentes, Europa podría disminuir sus emisiones de gases de efecto invernadero en 460 millones de toneladas, una cantidad superior al compromiso total de reducción acordada en Kyoto. Por todo ello es urgente e imprescindible que reduzcamos nuestro consumo y diversifiquemos nuestras fuentes de producción de acuerdo con el concepto de la Triada Energética: PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 2 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA - Reducir la demanda de energía implementando medidas de ahorro y evitando despilfarros. - Utilizar siempre que sea posible, fuentes sostenibles de energía en lugar de combustibles fósiles. - Emplear la energía de origen fósil de la manera más eficiente posible. El aislamiento es la herramienta más rentable para reducir el consumo de energía en edificios y disminuir las emisiones de gases asociadas al efecto invernadero. La demanda energética utilizada para calentar o para refrigerar una vivienda puede reducirse hasta en un 90% utilizando técnicas de eficiencia energética suficientemente probadas. [1] El enorme potencial de rendimiento energético en edificios puede de este modo hacerse realidad ya. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 3 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA CONCIENCIACIÓN EN AUMENTO En Kyoto en 1997, la comunidad internacional acordó un cierto número de objetivos para reducir las emisiones de gas de efecto invernadero (Protocolo de Kyoto). Según el Informe Stern (2005), el coste de luchar contra el cambio climático es menos que el coste del daño que generaría. El panel internacional del cambio climático (IPCC) pronosticó que en 2010, las temperaturas se incrementarían entre 1,8 y 4ºC sobre las del final del S.XX si no tomamos medidas. En 2006, la Comisión Europea lanzó su famoso plan de 3 x 20%: la reducción en un 20% en las emisiones de gas de efecto invernadero, la mejora del 20% en el rendimiento energético, y un incremento del 20% de las energías renovables como fuente de energía en 2020 comparado con 1990. Los Estados Miembros aprobaron este Plan de Acción Europeo de Eficiencia Energética en marzo de 2007. En la actualidad, todos los países están negociando la segunda fase del acuerdo de Kyoto, cubriendo el período a partir de 2013 – 2017. El consumo de energía en Unión Europea ha aumentado un 11% en los últimos 10 años. Los stocks de combustibles fósiles tales como petróleo, gas y carbón, (que representan el 81% de consumo de energía del mundo), no son ilimitados. Los científicos estiman que, de acuerdo con la velocidad de consumo actual, las reservas de carbón durarán cerca de 2 siglos más, las reservas de gas se agotarán en 59 años y las reservas de petróleo en menos de 50 años. La crisis de la energía es también una amenaza estratégica y económica: según EURIMA, la dependencia europea de fuentes de energía extranjeras aumentará del 50 al 70% durante los próximos 20-30 años. Alertadas por las continuas subidas y fluctuaciones del precio del petróleo, la seguridad del suministro es la prioridad actual en la política energética. La escasez y el encarecimiento de la producción son algunas de las razones por las que aumenta el precio del petróleo. Los días del petróleo y gas baratos se están acabando. Consumimos hoy alrededor 4 veces más del que descubrimos. [2] PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 4 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA INFLUENCIA DEL SECTOR DE LA EDIFICACIÓN El crecimiento de la superficie construida en edificios en España en el periodo 1990-2005 (previo a la aprobación del Código Técnico de la Edificación) ha sido del 143%, lo que significa que este sector ha experimentado un crecimiento medio anual durante este periodo del 9,5% [3]. En consecuencia han aumentado los consumos de las instalaciones asociadas al sector de la edificación (ACS, calefacción, refrigeración, iluminación), tanto en el sector terciario como en el domestico; el consumo de energía final del sector de la edificación es un 17% del total nacional [4]. Esta situación se enmarca dentro un contexto nacional de dependencia energética del exterior superior al 80% [3]. El sector de la edificación debe reconocer su influencia en el calentamiento global y en la preservación de los valiosos recursos energéticos. Debemos cambiar nuestra manera de diseñar los edificios nuevos o de rehabilitar los existentes, de forma que reduzcamos su impacto negativo en el medio ambiente. Este desarrollo de la edificación ha llevado asociado un aumento del consumo energético, debido en gran parte a la escasa atención prestada a la incorporación de estrategias pasivas en la edificación que conlleva la necesidad de emplear sistemas activos en los edificios para conseguir el nivel de confort demandado por la sociedad actual. Un edificio diseñado con criterios de eficiencia energética puede conseguir ahorros de hasta el 70% [4] en climatización e iluminación, siendo esto posible mediante la aplicación de soluciones arquitectónicas diseñadas desde una lógica de adaptación y adecuación al clima, en contra de los procedimientos más comunes de diseño y ejecución en la construcción actual. El sector de la edificación tiene un enorme potencial para el ahorro de energía y una influencia decisiva sobre nuestro confort. El 40% del consumo de energía total de Europa proviene de sus 160 millones de viviendas. En Europa, el sector de la edificación es el consumidor de energía número uno, seguido por la industria y el transporte. El 75% de nuestro consumo energético se destina a la calefacción. Globalmente, el sector de la edificación podría tener un impacto muy positivo en la situación económica: - Desde un punto de vista doméstico, se podrían disminuir hasta en un 90% los gastos de calefacción mejorando el aislamiento de la vivienda. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 5 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA - Desde un punto de vista macroeconómico, se podrían crear en Europa hasta 530.000 puestos de trabajo con una estrategia ambiciosa de mejora del rendimiento energético de los edificios. [6] Mientras que las prácticas constructivas estándares están guiadas por consideraciones económicas a corto plazo, la Construcción Sostenible se basa en las mejoras prácticas que aúnen calidad y eficacia a largo plazo a un coste asumible. La construcción sostenible tiene como objetivo reducir las consecuencias que tiene para el medio ambiente un edificio a lo largo de toda su vida, optimizando su viabilidad económica y el confort y seguridad de sus inquilinos. En cada etapa del ciclo de vida del edificio (materiales y transporte – diseño y construcción – Utilización – Fin de vida), se puede aumentar el confort y la calidad de vida, mientras que se disminuye el impacto en el medio ambiente y se aumenta la sostenibilidad económica del proyecto. “1€ invertido en aislamiento son 7€ de ahorro” [2]. “El ahorro potencial con la rehabilitación es del orden del 50% del consumo actual” [2]. El diseño de las Casas Pasivas tiene un enfoque estratégico según las diferentes localizaciones y climas. Las estrategias pasivas consisten en maximizar las ganancias de calor y minimizar las pérdidas de energía del edificio en invierno, y minimizar las ganancias y maximizar las pérdidas del edificio en verano. Es importante conocer las condiciones del entorno de los edificios así como el uso que va a tener para priorizar entre las diferentes estrategias ya que algunas son recomendables en una estación y no tanto para otra. En muchas ocasiones incorporando dispositivos mecánicos o eléctricos se puede mejorar y potenciar algunas estrategias pasivos, incluso permiten la adecuación de diferentes estrategias a lo largo del año. En el norte de Europa, la demanda de energía para calefacción, es todavía bastante alta. Naturalmente, es menor en el sur de Europa, donde la demanda de acondicionamiento de aire ha ido aumentando rápidamente. Recientemente, ha habido un creciente interés en lograr estrategias para conseguir que las Casas Pasivas puedan reducir su demanda tanto para calefacción como para refrigeración a menos de 15 kWh/m 2 a de acuerdo con Passive House Planning Package (PHPP). Los diseñadores de casas pasivas intentan utilizar fuentes térmicas del ambiente (por ejemplo, el sol) y sumideros de calor (por ejemplo, el cielo nocturno) para calefacción y refrigeración. La mayor parte del trabajo en este campo se hizo en EE.UU en la década de los 70 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS y después fue desarrollado en Europa en los 80, fundado por la Comisión Europea. Fue en este contexto en el que se empezó a utilizar el concepto de Passive House. En edificación se habla de eficiencia energética y de reducción de la demanda, pero faltan estudios específicos que aconsejen o prioricen estrategias pasivas para lograr este objetivo. S e manifestó la necesidad de estudiar diferentes a emplear según el tipo de clima; se pretende reducir la demanda energética sin renunciar al confort y bienestar del usuario. Se está ejecutando un proy relacionados con la demanda de energía durante el uso del edificio. Con la aplicación de medidas pasivas se puede conseguir una importante reducción de la demanda de energía de los edificios, por lo que este proyecto tiene como objetivo principal c uantificar medidas de ahorro energético aplicables a la edificación, mediante el estudio y el análisis de datos obtenidos a través de mediciones de un modelo físico real. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 6 UNIVERSIDAD POLITÉCNI y después fue desarrollado en Europa en los 80, fundado por la Comisión Europea. Fue en este contexto en el que se empezó a utilizar el concepto de Passive House. Figura 1.1. Casa pasiva [7] En edificación se habla de eficiencia energética y de reducción de la demanda, pero faltan estudios específicos que aconsejen o prioricen estrategias pasivas para lograr este objetivo. e manifestó la necesidad de estudiar diferentes sistemas pasivos disponibles en el mercado a emplear según el tipo de clima; se pretende reducir la demanda energética sin renunciar al confort y bienestar del usuario. Se está ejecutando un proy ecto plurianual en e l que se centra la atención en los asp relacionados con la demanda de energía durante el uso del edificio. Con la aplicación de medidas pasivas se puede conseguir una importante reducción de la demanda de energía de los edificios, por lo que este proyecto tiene como objetivo principal uantificar medidas de ahorro energético aplicables a la edificación, mediante el estudio y el análisis de datos obtenidos a través de mediciones de un modelo físico real. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE UNIVERSIDAD POLITÉCNI CA DE VALENCIA y después fue desarrollado en Europa en los 80, fundado por la Comisión Europea. Fue en este En edificación se habla de eficiencia energética y de reducción de la demanda, pero faltan estudios específicos que aconsejen o prioricen estrategias pasivas para lograr este objetivo. sistemas pasivos disponibles en el mercado a emplear según el tipo de clima; se pretende reducir la demanda energética sin renunciar al l que se centra la atención en los asp ectos Con la aplicación de medidas pasivas se puede conseguir una importante reducción de la demanda de energía de los edificios, por lo que este proyecto tiene como objetivo principal uantificar medidas de ahorro energético aplicables a la edificación, mediante el estudio y el análisis de datos obtenidos a través de mediciones de un modelo físico real. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 7 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Figura 1.2. Claves de la eficiencia energética [8] La posibilidad de poder trasladar las conclusiones del proyecto a edificios reales, haría posible obtener edificios energéticamente eficientes. Se considera importante para el sector de la construcción estudiar el comportamiento de los sistemas pasivos en la edificación, ya que actualmente existe una gran variedad de soluciones constructivas de las que se desconoce su comportamiento energético. Por tanto, es necesario estudiar este comportamiento y cuantificar la reducción energética de cada sistema porque hoy en día las empresas del sector de la construcción están obligadas a adaptarse a las nuevas leyes que desde Europa insisten en el ahorro energético. Por tanto, las empresas necesitan tener información sobre estas estrategias pasivas y mejoras en las soluciones constructivas que pueden aplicar en sus edificios para conseguir reducir la demanda energética, contribuyendo así a la reducción del consumo energético. Además, el Código Técnico de la Edificación ha forzado a las empresas constructoras a introducir estas nuevas estrategias en los edificios, pero existe una carencia de información respecto a su comportamiento energético. Por tanto, se considera de gran necesidad proveer de este conocimiento a las empresas para que les permita cumplir con las nuevas leyes y al mismo tiempo les otorgue un mayor grado de competitividad. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 14 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA CASETA 1 ESPESOR PAREDES (cm) NORTE 4 SUR 4+8+6 ESTE 4 OESTE 4 Tabla 3.1. Espesores paredes caseta 1 eeLAB 2 N 0,04 0,04 0,04 0,18 Cotas en metros Figura 3.6. Caseta 1 CASETA 2 ESPESOR PAREDES (cm) NORTE 4 SUR 4+8 ESTE 4 OESTE 4 Tabla 3.2. Espesores paredes caseta 2 eeLAB 1 N 0,04 0,04 0,04 0,12 Cotas en metros Figura 3.7. Caseta 2 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 15 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Que fuese la cara de ensayo la sur es debido a que es la que más oscilaciones térmicas tiene a lo largo del día por la influencia que tiene la radiación solar en los cerramientos, permitiendo hacer multitud de análisis de transferencia de calor. De todas formas las otras 5 caras del recinto se encuentran también monitorizadas, por lo que se tiene un control total del flujo de calor que existe en todas ellas. Gráfica 3.1. Oscilaciones térmicas [1] PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 16 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESTUDIO DE SOMBRAS DE LAS CASETAS Figura 3.8. Estudio de sombras en las casetas [1] PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 17 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ORIGEN DE LAS CASETAS Las soluciones propuestas han sido elaboradas a través de una pre-simulación por ordenador con el fin de obtener un cambio apreciable en las diferentes opciones medidas. El resultado obtenido es un modelo del cual se han estudiado la geometría, los materiales y su orientación y localización en el entorno. Con este material se compusieron los recintos de ensayo del proyecto. Se optó por material prefabricado por su rapidez de ejecución y porque permite el cambio de los sistemas constructivos que se van a analizar sin alterar el resto de los cerramientos. Para su composición se adquirieron los siguientes elementos: - Panel sándwich 0.04 m de espesor de acero galvanizado, 2.3 m de altura, nervado exterior y gofrado interior. - Aislamiento 0.08 m de espesor, nervado en la cara exterior y gofrado en la interior (en cara Sur de las dos casetas. - Aislamiento 0.06 m de espesor, nervado en la cara exterior y gofrado en la interior (en cara Sur de la caseta 1). - Puerta exterior 1 hoja ciega marco aluminio blanco y hoja panel sándwich. - Panel sandwich cubierta con poliuretano inyectado de 0.04 m de espesor. - Tablero fenólico esmaltado. - Base suelo sin tablero con aislamiento de poliuretano inyectado de 0.12 m de espesor. - Panel para sistema de fachada ventilada realizada mediante estructura aluminio y plafones de fibra de papel con resina termo-endurecida. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 18 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA MONITORIZACIÓN Y SIMULACIÓN Los parámetros medidos en los ensayos de monitorización in situ son los parámetros climatológicos (temperatura ambiental, humedad relativa, velocidad y dirección del viento y radiación) y los parámetros térmicos (temperatura ambiental en el interior de los recintos, temperatura superficial en cada capa del cerramiento, humedad relativa, flujo térmico del cerramiento) que en un segundo momento se pueden calcular a través de los programas de simulación para contrastar los resultados. Tras el análisis de los parámetros a medir y los sensores más adecuados, se estudiaron las diferentes metodologías de monitorización, examinando la compatibilidad entre los distintos componentes de la instrumentación de medida. Los parámetros a medir, referentes a las medidas pasivas de ahorro energético del edificio, se quisieron encauzar en un sistema abierto y fácilmente implementable para poder adaptar rápidamente el proyecto ante eventuales desviaciones o futuras ampliaciones (más parámetros a monitorizar o adaptación a un entorno más amplío). Además, se ha dejado la oportunidad de poder ampliar a largo plazo el sistema con parámetros de calidad del ambiente interior y radiación interior, así como con parámetros relativos a los sistemas activos, cuales parámetros de rendimiento y consumo de las instalaciones térmicas y de iluminación. El sistema de monitorización ha sido proyectado atendiendo a las necesidades específicas del experimento pero siempre teniendo en cuenta su futura aplicabilidad al entorno real “edificio” (escalabilidad). En primer lugar se seleccionaron los parámetros a monitorizar en un entorno construido para evaluar su eficiencia energética; éstos fueron luego transpuestos a necesidades concretas del sistema. Al mismo tiempo se analizaron las características de los diferentes protocolos de monitorización para poder así cruzar las necesidades detectadas con las características de cada uno. Se preseleccionaron sólo los sistemas más adecuados para ser utilizados en el entorno de estudio o los que con modificaciones razonables del entorno, pudieran considerarlos. De esa manera fue posible evaluar la compatibilidad de cada sistema en el entorno físico real del lugar en el que se efectuarían las medidas, hasta encontrar un sistema abierto que más allá de cumplir con las necesidades inmediatas del proyecto, pudiera ser fácilmente implementable e incluso escalable según las necesidades detectadas a lo largo de la investigación o en futuros proyectos. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 19 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Finalmente se decidió recurrir al protocolo ZigBee por las ventajas que ofrecen las redes de sensores inalámbricas WSN de adaptarse a las exigencias del experimento, además de permitir reducir la instalación y los costes del sistema, en nuevos escenarios de aplicación en los que es de difícil implantación un sistema con cables. Las WSN fueron originalmente desarrolladas para vigilancia en el campo militar; en la actualidad el desarrollo de estas redes se centra en aplicaciones domóticas, ambientales, sanitarias, de tráfico o de monitorización estructural. En concreto el protocolo ZigBee tiene un bajo consumo energético, lo que permite optimizar la vida útil de las baterías de los módulos de adquisición de datos. Esta característica permite no tener que acceder a los recintos de estudio para largos periodos de tiempo; una intervención humana en el recinto monitorizado siempre supone una interferencia con la toma de datos por modificar las condiciones del entorno. Figura 3.9. Protocolo ZigBee [2] El hecho de utilizar el protocolo ZIGBEE permite exportar los resultados de la investigación desde el nivel local y experimental a edificios reales, con medidas en situ; la ventaja de un sistema escalable es poder adaptar sus dimensiones según los nodos repetidores que se necesiten para ampliar el sistema en un segundo momento. La versatilidad del sistema admite cualquier entrada analógica y salida digital, así que es posible instalar dispositivos dinámicos de control para instalaciones domóticas o activas. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 20 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Con el uso de este protocolo se ha podido recurrir a un sistema abierto en el que poder integrar sensores de diferentes tipos (térmicos, radiación, de humedad, etc.); estos se programan dentro de la red inalámbrica a través del programa LabView. La WSN se compone de módulos de adquisición de datos (end nodes) que se encargan de transmitir los valores medidos de los sensores al coordinador (router) que ha sido programado con el programa LabView para el volcado de las medidas a la base de datos. Además, a lo largo de la investigación se desarrolló un sistema de visualización de datos Diagmon (www.diagmon.es), que se está continuamente ampliando sus capacidades para abarcar también la gestión y el procesamiento de datos a través de una plataforma web. Figura 3.10. Procedimiento para la elección del sistema de medida [1] PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 21 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA La disposición de los sensores se divide principalmente en dos tipos: ESTACIÓN EXTERIOR Los que recogen los datos climatológicos: temperatura ambiental, humedad ambiental, radiación solar y velocidad y dirección del viento. Figura 3.11. Estaciones exteriores [1] SENSORES DE INTERIOR Los que miden los parámetros interiores de los recintos: humedad y temperatura interior de cada uno de ellos, temperatura superficial del cerramiento, temperatura entre capas del cerramiento y flujo del cerramiento. NOMBRAMIENTO T1S1, T1E1, T1O1, T1N1, T1T1, T2S1, T2E1, T2O1, T2N1, T2T1, etc.: La 1ª cifra corresponde al nº de caseta (caseta 1 ó caseta 2); y la segunda cifra, corresponde a la situación del sensor respecto a la capa donde se encuentra. La 2ª letra nos marca la orientación de éstos. TE: Temperatura exterior PIR1, PIR2, PIR3: Radiación TI1, TI2: Temperatura interior PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 22 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Figura 3.13. Sensores interiores [1] Previa la colocación de los sensores se realizó un estudio con cámara termo-gráfica obteniéndose los siguientes resultados: Figura 3.14. Termografía encuentro cerramientos verticales/horizontal en la esquina y en correspondencia de la estructura del suelo, valores en ºC [1] Con el uso de la cámara termo-gráfica se pudieron detectar los puentes térmicos en los recintos construidos. Aunque estos influyesen de la misma manera en los dos modelos, por la disposición similar, se decidió solucionar aquellos en proximidad de las esquinas, en la junta entre cerramientos de distinta orientación. PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 23 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Se homogeneizó de esta manera la variable de los puentes térmicos. En la fase de búsqueda de instrumentación, el análisis de compatibilidad de ésta con el entorno físico tuvo una comparativa favorable, pero en la puesta en marcha del sistema hubo problemas relativos a la retrasmisión de la señal inalámbrica hasta el equipo exterior por lo que se tuvo que modificar el experimento y volver a diseñarlo hasta llegar a lo comentado anteriormente. En un principio el sistema estaba pensado con los módulos de adquisición de datos dentro del recinto que comunicasen por sistema inalámbrico con un repetidor en exterior que trasmitiese la señal por inalámbrico para almacenar los datos en un ordenador. En la puesta en marcha del sistema, la señal inalámbrica resultó fuertemente atenuada debido a la coraza de aluminio del modelo de estudio. Así que el problema se resolvió poniendo el Gateway en el interior de los recintos, para que comunicara de forma inalámbrica con los módulos de adquisición de datos y por la red de área local (LAN) del Instituto con el ordenador donde se almacenan las medidas. Las modificaciones aportadas al entorno fueron rápidas y no supusieron desviación alguna del cronograma inicial. Figura 3.15. Modelo previsto y modelo realizado [1] PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 30 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Figura 3.25. Datos de velocidad Los datos que se han descargado son los referentes a la ciudad de Valencia, como las casetas se encuentran en Paterna, que está a varios kilómetros de Valencia, y se supone que los edificios colindantes de las casetas disminuyen la velocidad del viento que reciben éstas, hemos considerado que la velocidad utilizada para hacer los cálculos de los balances sean para la cara sur 1 km/h y para la cubierta 0 km/m (ya que la cubierta está en posición horizontal). PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 31 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA 6) Para realizar las comparaciones correspondientes, también se necesitaron los datos del calor específico, densidad de la pared (del material aislante), la masa, la emisividad (correspondiente al acero galvanizado) y la transmitancia (U). Los cálculos correspondientes a la transmitancia (U) son los siguientes: TRANSMITANCIAS espesor λ (W/mK) Rd U (W/m 2 K) U total PANEL SANDWICH (sur) 0.04 0.032 1.25 0.8 0.28 AISLAMIENTO (sur) 0.08 0.034 2.35 0.43 espesor λ Rd U U total PANEL SANDWICH (sur) 0.04 0.032 1.25 0.8 0.19 AISLAMIENTO (sur) 0.08 0.034 2.35 0.43 AISLAMIENTO (sur) 0.06 0.034 1.76 0.57 espesor λ Rd U U total PANEL SANDWICH (norte, este, oeste) 0.04 0.032 1.25 0.8 0.80 Tabla 3.3. Cálculo de la transmitancia PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 32 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA He aquí como quedarían las tablas correspondientes a cada comparación: T1T2 - T2T2 - T1S2 - T2S2: datos reales obtenidos de los sensores. Balance: datos experimentales obtenidos mediante formulas. De los datos que nos quedaron por conocer: H= si velocidad viento <5m/s --------------- 5,62 + 3,91* Vel.viento si velocidad viento >5m/s--------------- 7,34 * (Vel. Viento)^0,8 Convección= H * (T1T2 – Te) Conducción= U * (T1T2 – T1T3) PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 33 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA H= si velocidad viento <5m/s --------------- 5,62 + 3,91* Vel.viento si velocidad viento >5m/s--------------- 7,34 * (Vel. Viento)^ 0,8 Convección= H * (T2T2 – Te) Conducción= U * (T2T2 – T2T3) PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 34 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA H= si velocidad viento <5m/s --------------- 5,62 + 3,91* Vel.viento si velocidad viento >5m/s--------------- 7,34 * (Vel. Viento)^ 0,8 Convección= H * (T1S2 – Te) Conducción= U * (T1S2 – T1S3) PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 35 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA H= si velocidad viento <5m/s --------------- 5,62 + 3,91* Vel.viento si velocidad viento >5m/s--------------- 7,34 * (Vel. Viento)^0,8 Conducción= H * (T2S2 – Te) Conducción= U * (T2S2 – T2S3) PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 36 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES A continuación se detallan los resultados obtenidos de comparar los datos reales con los experimentales. Se ha elegido como día objeto de estudio para la comparación el 26 de Septiembre de 2010. Se han hecho 4 comparaciones: - Cubierta caseta 1 - Cubierta caseta 2 - Cara sur caseta 1 - Cara sur caseta 2 Gráfica 4.1. Comparativa de la cubierta de la caseta 1 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0:00:00 1:25:00 2:50:00 4:15:00 5:40:00 7:05:00 8:30:00 9:55:00 11:20:00 12:45:00 14:10:00 15:35:00 17:00:00 18:25:00 19:50:00 21:15:00 22:40:00 T1T2 BALANCE PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 37 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Gráfica 4.2. Comparativa de la cubierta de la caseta 2 Gráfica 4.3. Comparativa de la cara sur de la caseta 1 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0:00:00 1:25:00 2:50:00 4:15:00 5:40:00 7:05:00 8:30:00 9:55:00 11:20:00 12:45:00 14:10:00 15:35:00 17:00:00 18:25:00 19:50:00 21:15:00 22:40:00 T2T2 BALANCE 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0:00:00 1:25:00 2:50:00 4:15:00 5:40:00 7:05:00 8:30:00 9:55:00 11:20:00 12:45:00 14:10:00 15:35:00 17:00:00 18:25:00 19:50:00 21:15:00 22:40:00 T1S2 BALANCE PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 38 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Gráfica 4.4. Comparativa de la cara sur de la caseta 2 En las 4 gráficas se observa que los datos del sensor y del balance son bastante semejantes. 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0:00:00 1:25:00 2:50:00 4:15:00 5:40:00 7:05:00 8:30:00 9:55:00 11:20:00 12:45:00 14:10:00 15:35:00 17:00:00 18:25:00 19:50:00 21:15:00 22:40:00 T2S2 BALANCE PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 39 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA ESTUDIO DEL PERFIL TÉRMICO El perfil térmico es el cambio de temperatura que se produce al atravesar el calor una serie de capas de materiales. Éste puede ser mayor o menor dependiendo del espesor y densidad de las capas, de la hora en que se analice, si es verano o invierno, etc. Con este motivo, se ha realizado un estudio de la temperatura que hay en cada capa de la pared (cara sur y cubierta de las 2 casetas), medida a través de los sensores. Se ha hecho una comparación de los resultados obtenidos en un instante de la mañana, de la tarde y de la noche. LOCALIZACIÓN Figura 4.1. Situación de los sensores PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 46 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA - CUBIERTA CASETA 1 Gráfica 4.17. Comparativa por la mañana Gráfica 4.18. Comparativa por la tarde Gráfica 4.19. Comparativa por la noche 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 10:00:00 10:04:00 10:08:00 10:12:00 10:16:00 10:20:00 10:24:00 10:28:00 10:32:00 10:36:00 10:40:00 10:44:00 10:48:00 10:52:00 10:56:00 T1T1 T1T2 T1T3 T1T4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 14:00:00 14:04:00 14:08:00 14:12:00 14:16:00 14:20:00 14:24:00 14:28:00 14:32:00 14:36:00 14:40:00 14:44:00 14:48:00 14:52:00 14:56:00 T1T1 T1T2 T1T3 T1T4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 23:00:00 23:04:00 23:08:00 23:12:00 23:16:00 23:20:00 23:24:00 23:28:00 23:32:00 23:36:00 23:40:00 23:44:00 23:48:00 23:52:00 23:56:00 T1T1 T1T2 T1T3 T1T4 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 47 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA - CUBIERTA CASETA 2 Gráfica 4.20. Comparativa por la mañana Gráfica 4.21. Comparativa por la tarde Gráfica 4.22. Comparativa por la noche 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 10:00:00 10:04:00 10:08:00 10:12:00 10:16:00 10:20:00 10:24:00 10:28:00 10:32:00 10:36:00 10:40:00 10:44:00 10:48:00 10:52:00 10:56:00 T2T1 T2T2 T2T3 T2T4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 14:00:00 14:04:00 14:08:00 14:12:00 14:16:00 14:20:00 14:24:00 14:28:00 14:32:00 14:36:00 14:40:00 14:44:00 14:48:00 14:52:00 14:56:00 T2T1 T2T2 T2T3 T2T4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 23:00:00 23:04:00 23:08:00 23:12:00 23:16:00 23:20:00 23:24:00 23:28:00 23:32:00 23:36:00 23:40:00 23:44:00 23:48:00 23:52:00 23:56:00 T2T1 T2T2 T2T3 T2T4 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 48 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA - CARA SUR CASETA 1 Gráfica 4.23. Comparativa por la mañana Gráfica 4.24. Comparativa por la tarde Gráfica 4.25. Comparativa por la noche 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 10:00:00 10:04:00 10:08:00 10:12:00 10:16:00 10:20:00 10:24:00 10:28:00 10:32:00 10:36:00 10:40:00 10:44:00 10:48:00 10:52:00 10:56:00 T1S1 T1S2 T1S3 T1S4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 14:00:00 14:04:00 14:08:00 14:12:00 14:16:00 14:20:00 14:24:00 14:28:00 14:32:00 14:36:00 14:40:00 14:44:00 14:48:00 14:52:00 14:56:00 T1S1 T1S2 T1S3 T1S4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 23:00:00 23:04:00 23:08:00 23:12:00 23:16:00 23:20:00 23:24:00 23:28:00 23:32:00 23:36:00 23:40:00 23:44:00 23:48:00 23:52:00 23:56:00 T1S1 T1S2 T1S3 T1S4 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 49 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA - CARA SUR CASETA 2 Gráfica 4.26. Comparativa por la mañana Gráfica 4.27. Comparativa por la tarde Gráfica 4.28. Comparativa por la noche 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 10:00:00 10:04:00 10:08:00 10:12:00 10:16:00 10:20:00 10:24:00 10:28:00 10:32:00 10:36:00 10:40:00 10:44:00 10:48:00 10:52:00 10:56:00 T2S1 T2S2 T2S3 T2S4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 14:00:00 14:04:00 14:08:00 14:12:00 14:16:00 14:20:00 14:24:00 14:28:00 14:32:00 14:36:00 14:40:00 14:44:00 14:48:00 14:52:00 14:56:00 T2S1 T2S2 T2S3 T2S4 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 23:00:00 23:04:00 23:08:00 23:12:00 23:16:00 23:20:00 23:24:00 23:28:00 23:32:00 23:36:00 23:40:00 23:44:00 23:48:00 23:52:00 23:56:00 T2S1 T2S2 T2S3 T2S4 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 50 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Otro estudio interesante que se ha realizado es la comparación de la temperatura del sensor situado exteriormente pegado a la pared en la cubierta de la caseta 1 (se ha cogido la caseta 1 ya que es indiferente, la cubierta de la caseta 2 es igual) y en la cara sur de la caseta 2. Se ha realizado esta comparativa para observar la diferencia significativa de la temperatura en las horas centrales del día entre la cubierta y la cara sur, ya que el sol llega perpendicularmente a la cubierta. También se ha elegido como día objeto de estudio el 26 de Septiembre de 2010. Gráfica 4.29. Comparativa de los dos sensores 0 10 20 30 40 50 60 0:00:00 1:16:00 2:32:00 3:48:00 5:04:00 6:20:00 7:36:00 8:52:00 10:08:00 11:24:00 12:40:00 13:56:00 15:12:00 16:28:00 17:44:00 19:00:00 20:16:00 21:32:00 22:48:00 T1T2 T2S2 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 51 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA Aunque la cara sur de la caseta 1 tiene mayor aislamiento que la cara sur de la caseta 2, se observa que el sensor de la caseta 1 absorbe más temperatura que el sensor de la caseta 2. En las horas centrales del día se mantienen parecidas pero en las horas donde no está el sol, es mayor la de la caseta 1 ya que al tener mayor espesor retiene la temperatura recibida en las horas centrales. Gráfica 4.30. Comparativa de los dos sensores 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 0:00:00 1:20:00 2:40:00 4:00:00 5:20:00 6:40:00 8:00:00 9:20:00 10:40:00 12:00:00 13:20:00 14:40:00 16:00:00 17:20:00 18:40:00 20:00:00 21:20:00 22:40:00 T1S3 T2S3 PFG: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 52 AUTOR: JAVIER SANTAMARÍA GOMIS UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA 5. BIBLIOGRAFÍA [1 ] AIDICO. Instituto Tecnológico de la Construcción - Área de Construcción Sostenible. 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