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

COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE PROYECTO FINAL DE GRADO COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE PROYECTO FINAL DE GRADO Autor: María Dolores Martínez Bernal Directores académicos: José Luis Vivancos Bono Carola Aparicio Fernandez COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA Autor: María Dolores Martínez Bernal Directores académicos: José Luis Vivancos Bono Carola Aparicio Fernandez MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ----------------------------------------------------------------------------- 2 2. OBJETIVOS ----------------------------------------------------------------------------------- 8 3. AIDICO ------------------------------------------------------------------------------------------ 11 4. EL PROYECTO ------------------------------------------------------------------------------- 16 4.1. Situación del proyecto ---------------------------------------------------- 17 4.2. Características del proyecto -------------------------------------------- 19 5. PROCEDIMIENTO ----------------------------------------------------------------------------- 29 6. RESULTADOS Y COMPARATIVAS ------------------------------------------------------ 45 7. PERFILES TÉRMICOS ----------------------------------------------------------------------- 68 8. CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------------------ 78 9. BIBLIOGRAFÍA --------------------------------------------------------------------------------- 79 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES La eficiencia energética, el confort de las personas alcanzado una gran relev ancia en nuestra sociedad de energías no renovables, se ha tenido que poner freno a est medidas desde la Unión Europea para evitar sostenible de la sociedad de acuerdo con el Protocol elevadas emisiones de gases medidas adoptadas sería limitar la creado una normativa para limitar esa demanda Edificación en su Documento Básico HE Ahorro de Energía. El sector d e la construcción es española, debido a la gran expansión que ha tenido desde los años 90, provocado graves im pactos sobre el entorno natural. S primaria que se consume en E reducción de la demanda y el ahorro energético son condiciones prioritarias para cumplir los retos energéticos internacionales que España tiene planteados. 1 Isover SaintGobain: Eficiencia Energética y Confort en los Climas Cálidos BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS A 1. INTRODUCCIÓN La eficiencia energética, el confort de las personas y la seguridad son temas que han ancia en nuestra sociedad . Actualmente debido al consumo excesivo de energías no renovables, se ha tenido que poner freno a est o de alguna manera, lanzando medidas desde la Unión Europea para evitar ese consumo tan elevado, con un desarrollo sostenible de la sociedad de acuerdo con el Protocol o de Kyoto y también gases a la atmósfera, causantes del ef ecto invernadero limitar la demanda energética de los edificios 1 . En España se ha limitar esa demanda energética tan elevada: el Código Técnico de la Edificación en su Documento Básico HE Ahorro de Energía. e la construcción es uno de los sectores más importantes para la economía debido a la gran expansión que ha tenido desde los años 90, pero al mismo tiempo ha pactos sobre el entorno natural. S e estima que má s del 20% primaria que se consume en E spaña, se hace en el sector de la edificación, por lo que la reducción de la demanda y el ahorro energético son condiciones prioritarias para cumplir los retos energéticos internacionales que España tiene planteados. Figura 1.1 Gráfico consumo energético Gobain: Eficiencia Energética y Confort en los Climas Cálidos Construcción 23% Industria 35% Transporte 42% CONSUMO ENERGÉTICO PFG CURSO 2010 -2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA OS AL AIRE LIBRE 3 y la seguridad son temas que han Actualmente debido al consumo excesivo de alguna manera, lanzando ese consumo tan elevado, con un desarrollo también para evitar las ecto invernadero . Una de las . En España se ha el Código Técnico de la más importantes para la economía pero al mismo tiempo ha s del 20% de la energía spaña, se hace en el sector de la edificación, por lo que la reducción de la demanda y el ahorro energético son condiciones prioritarias para cumplir los Gobain: Eficiencia Energética y Confort en los Climas Cálidos . MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 4 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% 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 aislamiento térmico es la herramienta más rentable para reducir el consumo de energía en edificios y disminuir las emisiones de gases asociadas al efecto invernadero 2 . Figura: 1.2 Demanda energética Gráfico: Eficiencia Energética y Confort en los climas cálidos. ISOVER La calefacción y la refrigeración son las principales causas 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 toneladas de CO 2 cada año (casi dos veces mayor al objetivo pretendido conseguir en el protocolo de Kyoto). Las características de los edificios 2 Isover Saint-Gobain: Guía Isover. Soluciones de Aislamiento. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 5 diseñados para ahorrar energía son las de aprovechar al máximo las ganancias procedentes del sol es decir, luz y calor, minimizar las pérdidas de energía del edificio en invierno, y las ganancias en verano. Es muy importante conocer las condiciones del entorno físico del edificio, ya que dependiendo del lugar donde se sitúe necesita unas características u otras, por ejemplo, en un clima frio existe una mayor demanda energética en invierno que en verano para calentar el edificio y al contrario ocurre en un clima cálido que necesitará una mayor demanda en verano para refrigerar el edificio. 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 edificios existentes, Europa podría reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en 460 millones de toneladas 3 . Por todo este consumo excesivo de energías no renovables y contaminantes a su vez es urgente e imprescindible reducir nuestro consumo y diversificar nuestras fuentes de producción de acuerdo con el concepto de: - 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. AISLAMIENTO TÉRMICO EN EDIFICACIÓN Desde el hombre primitivo, el ser humano ha buscado en las viviendas un medio de protegerse contra las agresiones exteriores. Una de las principales agresiones del entorno la constituyen los cambios climáticos. El desarrollo de la civilización conlleva mayores exigencias de confort térmico, siendo la consideración de temperatura confortable todo el año, una de las principales finalidades de los 3 Isover Saint-Gobain: Manual de aislamiento en edificación MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 6 edificios habitables. Es importante tener en cuenta en este panorama que el hombre moderno pasa más del 85% de su vida en el interior de edificios. Mantener este confort térmico interior requiere asumir un cierto consumo energético, variable según la climatología de cada zona geográfica. Los aislamientos térmicos para la edificación representan el sistema más eficaz para disminuir el consumo energético necesario. Figura 1.3 Aislante térmico, poliestireno extruido Fotografía: O-BASE En general, se tiende a considerar que los procesos térmicos en los edificios representan un valor muy inferior al de los otros sectores de consumo (industria, transporte, centrales térmicas). La industria y las centrales térmicas pueden mejorar su ratio de consumo energético por unidad producida, aumentando la eficacia de los procesos, de los materiales y del control, incluso mediante nuevas tecnologías de proceso. No obstante, la reducción porcentual del consumo, no parece tan importante en el ámbito de los países industrializados como en el sector de la edificación. En éste, sí es posible alcanzar reducciones muy elevadas sobre el actual nivel de consumo energético. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 7 Aislar térmicamente una vivienda consiste en lograr que sus elementos en contacto con el exterior aumenten su resistencia al paso del calor, lo que se consigue incorporando materiales aislantes en: muros exteriores, cubiertas, suelos, tabiques y huecos. La incorporación del aislamiento térmico contribuye a: - Reducir la factura energética del usuario/propietario y del país: al incorporar aislamiento térmico en el edificio se reducen las pérdidas de calor o frío (invierno/verano) dentro de la vivienda; por tanto, la energía necesaria para calentar o enfriar las habitaciones será menor, haciendo que se ahorre dinero en la factura energética y, a nivel global, que se reduzca en el consumo del país. - Mejorar el confort y el bienestar para el usuario: el confort expresa una sensación respecto al ambiente. Una vivienda aislada térmicamente contribuye al bienestar del usuario ayudando a mantener una temperatura confortable dentro de la vivienda, tanto en invierno como en verano. - Disminuir las emisiones de gases con efecto invernadero (principalmente CO2): las calderas de gas, derivados de petróleo o carbón emiten gases en su combustión (CO2 y otros). También la producción de energía eléctrica lleva asociada emisiones de CO2. Una casa bien aislada térmicamente contribuye a reducir el consumo de energía y, por tanto, la emisión de gases con efecto invernadero. - Eliminar las condensaciones y mejorar el aislamiento acústico: por un lado se eliminan las humedades interiores que suelen conllevar la aparición de moho y, además, se reduce el ruido procedente del exterior o de los propios vecinos 4 . 4 Ministerio de Industria, turismo y comercio: Guía práctica para la rehabilitación de edificios. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 8 2. OBJETIVOS El objetivo del proyecto es estudiar el comportamiento térmico de dos recintos que están expuestos al aire libre, realizando una comparativa entre datos reales, adquiridos a través de sensores situados en los recintos, que obtienen temperatura, humedad, radiación y datos experimentales, calculados mediante un balance térmico. Los recintos son una línea de actuación realizada por la empresa AIDICO, para conseguir una reducción de la demanda energética. Debido a que actualmente en edificación se habla de eficiencia energética y de reducir la demanda, son necesarios estudios que aconsejen o prioricen estrategias pasivas para lograr este objetivo. Con la aplicación de medidas pasivas se puede conseguir una importante reducción de la demanda de energía de los edificios, por lo que esta línea de actuación tiene como objetivo principal cuantificar 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. Fotografía 2.1 Recintos de estudio MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 9 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. Hoy las empresas del sector de la construcción están obligadas a adaptarse a las nuevas leyes que desde Europa insisten en el ahorro energético. 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 5 . En el caso de este proyecto se dispone de un sistema pasivo tipo, el uso del aislante térmico en edificación. En la cara sur de uno de los dos recintos se dispone de un aislamiento térmico adherido al cerramiento. Estudiaremos las pérdidas a través de los cerramientos (paredes, techos, etc.), mediante la transmisión de calor. Cuando una pared opaca y homogénea se coloca entre dos ambientes a diferente temperatura, se produce en varías fases: 1. Del aire interior (ambiente más caliente) a la cara interna de la pared. 2. A través de la pared. 3. De la cara externa de la pared al aire exterior (ambiente más frío) La transmisión a través de la fase 2 se produce por conducción y en las fases 1 y 3, por convección y radiación. 5 García, Alejandro y Mora, Diana: Energy Performance Assessment of Building Systems with Computer Dynamic Simulation and Monitoring in laboratory MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 16 4. EL PROYECTO En el área de medioambiente, construcción sostenible, encontramos un proyecto llamado CESCON2 que nace con el objetivo de reducir la demanda energética en los edificios de nueva construcción o rehabilitación a través de la cuantificación del ahorro energético, según los sistemas pasivos utilizados. Este proyecto trata la mejora de la eficiencia energética desde un punto de vista de análisis y optimización de las soluciones constructivas y las condiciones operacionales acordes a las necesidades de confort de los usuarios. Estudia el comportamiento energético de soluciones constructivas que mejoren la eficiencia energética de los edificios. Los objetivos del proyecto son el desarrollo de metodología y prototipo del sistema de ensayo para cuantificar el comportamiento energético de sistemas constructivos. Selección de los sistemas constructivos más eficientes en función de la localización y tipo del edificio a estudiar. Comparación de los resultados obtenidos por medio de la simulación y datos reales, para comprobar posibles desviaciones en cualquiera de los dos medios de análisis. La investigación consiste que mediante de unas condiciones constructivas según un módulo tipo, obtener mejoras constructivas, con un sistema de monitorización de los parámetros climatológicos y térmicos que posteriormente se analizarán. Figura 4.1. Recintos MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 17 4.1. Situación del proyecto AIDICO está situado en el parque tecnológico de la localidad de Paterna (Valencia) Figura 4.2. Situación Paterna Figura 4.3. Situación parque tecnológico MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 18 Dentro de dicho parque tecnológico AIDICO se localiza en la calle Benjamín Franklin, nº 17. Figura 4.4. Situación AIDICO Los recintos de ensayo están emplazados en el sureste de AIDICO. Figura 4.5. Situación recintos MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 19 4.2. Características del proyecto Dicho proyecto consta de dos recintos de ensayo las cuales son casetas aisladas y estancas de panel sándwich en todas sus caras. Cada cara del recinto cuenta con 4 cm espesor de panel sándwich, cambiando la cara sur de uno de ellos colocando adherido al panel sándwich, aislante térmico de 8 cm. de espesor. La fachada de ensayo es la cara sur debido a que es la que más oscilaciones térmicas tiene a lo largo del día por la influencia de la radiación solar en los cerramientos, permitiendo hacer multitud de análisis de transferencia de calor. Pero también las otras 5 caras del recinto están monitorizadas, por lo que se tiene un control total del flujo de calor. Los recintos no se encuentran en contacto con la superficie del suelo, para que no haya humedades en el interior del recinto y para que la temperatura del terreno no condicione la temperatura interior ni de los sensores situados en el suelo. Fotografía 4.6 Separación de las casetas con el suelo MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 20 Las soluciones propuestas han sido elaboradas a través de una presimulación por ordenador con el fin de obtener un cambio apreciable en las diferentes opciones medidas. Figura 4.7 Simulación Fotografía AIDICO El resultado obtenido es un modelo del cual se han estudiado la geometría, los materiales y su orientación y localización en el entorno. Figura 4.8 Estudio de sombras Fotografía AIDICO MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 21 Para la composición de las casetas se han adquirido los siguientes elementos: - Panel sándwich 0,04 m. de espesor, 2,3 m. de altura, nervado exterior y gofrado interior. - Puerta exterior 1 hoja ciega marco aluminio blanco y hoja panel sándwich. - Panel sándwich cubierta 0,04 m. de espesor. - Base suelo sin tablero con aislamiento de poliuretano inyectado de 0,12 m. de espesor. - Aislamiento en la cara sur del eelab 2 de 0,08 m. de espesor de poliestireno extruido. Fotografía 4.9 Recintos de ensayo Fotografía 4.10 Puerta MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 22 Las casetas se sitúan paralelas entre sí con una separación horizontal entre ellas de 1 m. y vertical de 4,05 m. Tienen una orientación norte-sur. Se utilizaron programas de simulación para optimizar la búsqueda del emplazamiento según el entorno disponible. Se estableció el posicionamiento de los modelos de estudio de tal manera que se eviten las sombras procedentes de las propias casetas, de la nave de unidad de seguridad–fuego, o de la rotonda que existe al lado de las casetas. Figura 4.11 Colocación recintos MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 23 La geometría de los recintos es lineal, con unas dimensiones de 4,40 m. x 2,40 m. en planta y 2,30 m. de altura. Su superficie de aproximadamente 10 m 2 , hace que el volumen se pueda asemejar al de una habitación. Además, se ha utilizado material modular para un volumen compacto, así que los eventuales cambios a efectuar serían rápidos y económicos. Fotografía 4.12 eeLab 1 Los parámetros exteriores medidos en los ensayos de monitorización in situ son los parámetros climatológicos de:  Temperatura ambiental y humedad relativa: estos parámetros se miden con un termohigrómetro digital. Figura 4.13 Temohigrómetro digital Fotografía: AIDICO MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 24  Radiación solar: es de gran importancia cuantificar la energía que llega del sol en forma de radiación electromagnética. Para cuantificar esa energía directamente mediante el uso de piranómetros, cuya unidad es w/m2. Los piranómetros constan de un pequeño disco plano con sectores pintados alternativamente de blanco y negro. Cuando el aparato es expuesto a la radiación solar, los sectores negros se vuelven más cálidos que los blancos. Esta diferencia de temperatura se puede detectar electrónicamente. Se produce un voltaje eléctrico proporcional a la radiación solar incidente. Se instala una cúpula de vidrio óptico estándar sobre el disco que es transparente a longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2.800 nm. Se dispone de tres equipos: dos recogen la radiación global y el otro la radiación difusa, y, para ello, este último dispone de un parasol para evitar que el sol dé directamente en la célula captora captando sólo la radiación que le entra por los lados. Figura 4.14 Piranómetro Fotografía AIDICO Fotografía 4.15 Piranómetro MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 25  Velocidad y dirección del viento: Figura 4.16. Anemómetro Fotografía: AIDICO Fotografía 4.17 Anemómetro MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 32 • 4 sensores de temperatura del eelab1 situados en la fachada este (T1E1, T1E2, T1E3, T1E4) • 4 sensores de temperatura del eelab2 situados en la fachada norte (T1N1, T1N2, T1N3, T1N4) • 4 sensores de temperatura del eelab2 situados en la fachada oeste (T1O1, T1O2, T1O3, T1O4) • 4 sensores de temperatura del eelab2 situados en la fachada sur (T1S1, T1S2, T1S3, T1S4) • 4 sensores de temperatura del eelab2 situados en el suelo (T1P1, T1P2, T1P3, T1P4) • 4 sensores de temperatura del eelab2 situados en el techo (T1T1, T1T2, T1T3, T1T4) • 1 termoflujómetro del eelab2 situado en la fachada este (F2E1) • 1 termoflujometro del eelab2 situado en la fachada sur (F2S1) • 1 termoflujometro del eelab2 situado en la fachada oeste (F2O1) • 1 termoflujometro del eelab2 situado en la fachada norte (F2N1) • 1 termoflujometro del eelab2 situado en el suelo (F2P1) • 1 termoflujometro del eelab2 situado en el techo (F2T1) • 1 termoflujometro del eelab1 situado en la fachada este (F1E1) • 1 termoflujometro del eelab1 situado en la fachada sur (F1S1) • 1 termoflujometro del eelab1 situado en la fachada oeste (F1O1) • 1 termoflujometro del eelab1 situado en la fachada norte (F1N1) • 1 termoflujometro del eelab1 situado en el suelo (F1P1) • 1 termoflujometro del eelab1 situado en el techo (F1T1) • 1 sensor de temperatura del eelab2 (TI2) • 1 sensor de temperatura del eelab1 (TI1) • 1 sensor de humedad del eelab2 (HI2) • 1 sensor de humedad del eelab1 (HI1) EXTERIORES: • 1 sensor de temperatura exterior (TE) • 1sensor de humedad exterior (HE) • 3 piranómetros (PIR1, PIR2, PIR3) • 1 medidor de la velocidad del viento (VVEX1) • 1 medidor de la dirección del viento (DVEX1) MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 33 Los 4 sensores interiores de cada fachada de temperatura se disponen según: Figura 5.5 Situación sensores En la página web existe una disposición de los sensores que es la siguiente: Figura 5.6 Diagmon MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 34 Cuando se accede en un sensor aparece una gráfica, en tiempo real, de los datos obtenidos. Figura 5.7 Diagmon Se pueden cambiar las fechas de inicio y fin, las horas de inicio y fin, y los valores máximos y mínimos. Por ejemplo cambiando las fechas se puede observar como varia la gráfica de un mismo sensor: Figura 5.8 Diagmon MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 35 A partir de aquí, se pueden obtener informes en Excel y en archivo de texto, los puedes guardas o ver el informe en la red. Figura 5.9 Diagmon En la web, se pueden realizar comparativas entre los sensores: Figura 5.10 Diagmon MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 36 Después de descargarse los datos de los sensores, necesitamos para realizar el modelo datos de la velocidad del viento para estudiar la convección. Debido a que en las fechas indicadas el sensor de viento de los recintos a estudiar no estaban disponibles, los datos se han obtenido de la página de la Universidad Politécnica de Valencia, del área de Medio ambiente, Planificación Urbanística y Ordenación del campus. En el servicio de información meteorológica. Figura 5.11 Área de Medio Ambiente. UPV En dicha página se encuentra a disposición de todos los usuarios, datos de las ciudades de Alcoy, Alicante, Gandía, Valencia y Xátiva. Los parámetros que hay disponibles son: • Dirección del Viento • Humedad relativa • Precipitación acumulada • Temperatura del aire • Velocidad del viento MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 37 Elegido el parámetro que necesario, se descargan los datos y ya están disponibles para utilizarlos. Figura 5.12 Área de Medio Ambiente. UPV MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 38 Posteriormente, necesitamos la radiación vertical en la fachada sur, ya que los sensores solo recogen la radiación horizontal. Para esto, ha sido necesario descargarnos la radiación de un día tipo del mes escogido, para aplicar la siguiente fórmula y obtener la radiación real vertical de la fachada sur.    =           También ha sido necesario acceder a la página web del PVGIS, datos de radiación solar. Figura 5.13 PVGIS Los datos obtenidos son la variación de la irradiancia diaria media en la ciudad de Paterna, se recogen datos cada 15 minutos, se muestran mediante una gráfica en la se encuentran la radiación global de cielo despejado y de cielo real, y la radiación difusa de cielo real, tanto de la cubierta como de la fachada sur. También se pueden obtener los datos mediante tablas, en la que se muestra los datos de la irradiacia global para cielo claro, global, directa, difusa y reflejada e igual que las graficas tanto para cubierta como fachada sur. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 39 Figura 5.14 PVGIS Gráfica Irradiancia horizontal. Diciembre Figura 5.15 PVGIS Gráfica Irradiancia sur. Diciembre MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 40 Figura 5.16 PVGIS Tabla Irradiancia horizontal. Diciembre Figura 5.17 PVGIS Tabla Irradiancia sur. Diciembre MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 41 Por último se calculó el balance térmico. Para ello se necesitó: • Temperatura exterior ambiental: dato obtenido del sensor TE. • Temperatura interior (Tea): dato del sensor T1T3, T2T3, T1S3 ó T2S3. • Radiación: Transferencia de energía entre sistemas resultado de la emisión de ondas electromagnéticas (normalmente del IR) por parte del cuerpo caliente y absorción de las mismas por parte del cuerpo frío. Dato del sensor PIR. • Velocidad del viento: dato del área de Medio Ambiente. • Temperatura exterior (Te): dato del sensor T1T2, T2T2, T1S2 ó T2S2. • Calor específico del material (Ce): 1200 J / kg· o C • Densidad ( ) :175 kg/m 3 • Espesor (e): 0,04 m. en cubierta y una cara sur, y 0,12 m. en cara sur con aislante. • Incremento de tiempo: 60 segundos. • Emisividad del acero galvanizado: depende del material y en nuestro caso será 0,23 Los demás datos necesarios para calcular el balance se realizan mediante unos cálculos previos: • Masa térmica: es el valor de la capacidad potencial de almacenamiento de calor en un conjunto o sistema.  =    • Transmitancia (U): Es la cantidad de energía que atraviesa, en la unidad de tiempo, una unidad de superficie de un elemento constructivo de caras plano paralelas cuando entre dichas caras hay un gradiente térmico unidad. Es el inverso a la resistencia térmica.  =  • Coeficiente de convección (h): cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección. Si velocidad del viento > de 5 m/s: ℎ = 7,34 , MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 48 Como se puede observar en las gráficas, se ha comprobado que los datos reales no son iguales a los datos experimentales, ya que en los resultados experimentales disponemos de temperaturas menores a las obtenidas por los sensores llegando a una diferencia de 12 O C a las 13:30 en la cubierta y de 16 O C a las 13:45 en la cara sur. También se observa que en las horas de menor temperatura, es decir por la noche, amaneciendo y atardeciendo, las temperaturas del balance son ligeramente superiores a los datos reales. Ambas cosas son debidas a que en los resultados del Balance se ha utilizado la velocidad del viento de Valencia, pero como los recintos de ensayo se encuentran situados en Paterna, la velocidad del viento sería diferente. En los resultados experimentales usamos las pérdidas de calor, lo que hace que en las horas de más calor, la temperatura exterior sea superior porque en el balance se han utilizado factores como la emisividad del material, la radiación y la temperatura interior que hacen que la temperatura del balance disminuya. Y durante el amanecer, atardecer y la noche el balance sea superior debido a que no existe radiación y la temperatura interior es superior a la temperatura exterior. Existe una disminución de la temperatura exterior puntual de 7:30 a 9:00, en todas las fachadas a analizar en ambas casetas, lo que provoca que difiera más los resultados experimentales a los reales, ya que la temperatura interior de ambas casetas no sufre esta variación, lo que implica que el balance tampoco disminuya su temperatura en dichas horas. Si en vez de utilizar la velocidad del viento de la página de la Universidad Politécnica de Valencia, utilizamos como velocidad del viento siempre 0, los resultados obtenidos del balance son más parecidos a los datos experimentales como se puede observar en las siguientes gráficas: MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 49 Figura 6.5 Cubierta caseta 1 Figura 6.6 Cubierta caseta 2 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 50 Figura 6.7 Fachada sur caseta 1 Figura 6.8 Fachada sur caseta 2 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 51 Se comprueba que utilizando la velocidad del viento 0, los resultados obtenidos son más parecidos a los datos experimentales, esto es debido a que la velocidad del viento utilizada en el primer momento es la velocidad de viento de Valencia, lo que supone una pequeña variación a velocidad del viento de Paterna, por lo tanto al utilizar la velocidad 0, el coeficiente de convección es constante a lo largo del día y no existen tantas perdidas por convección. COMPARATIVAS BALANCES CASETAS Figura 6.9 Fachada sur comparativa balance Figura 6.10 Cubierta comparativa balance MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 52 En esta comparativa se puede visualizar como la diferencia de temperaturas de los dos recintos de ensayo es muy pequeña, debido a que para el cálculo del balance térmico el aislamiento térmico existente en la cara sur de la caseta 2 no supone una gran variación, ya que este factor solo modifica la conducción y al ser un cerramiento de tan poco espesor no es significativo en este cálculo. Sería necesario un mayor aislamiento para que representase una mayor variación de temperatura. COMPARATIVAS TEMPERATURA INTERIOR CASETAS Figura 6.11 Fachada sur comparativa temperatura interior Figura 6.12 Cubierta comparativa temperatura interior MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 53 En las anteriores gráficas se puede contemplar como la temperatura interior de la caseta 2 es inferior a la de la caseta 1 en las horas centrales del día. También la temperatura de la caseta 2 no sufre tanta diferencia de temperatura a lo largo del día. Ambos casos provocados por el aislante térmico adherido en la cara sur de caseta 2 que hace que en las horas frías no intercambie calor del interior de la caseta al exterior y que en las horas del día calientes no intercambien el calor del exterior al interior, frenando este aumento de temperatura, sufriendo una variación de 23 O C, mientras que en la caseta 1 la variación es de 29 O C. Las gráficas con forma de campana que se obtienen con todos los datos es provocada por la diferencia de temperatura entre el día y la noche, debido al movimiento de rotación de la Tierra, lo que supone una disminución significativa de la temperatura, sobre todo en invierno, que es nuestro caso, aunque el día del análisis no haya sido un día muy frío. COMPARATIVAS TEMPERATURA EXTERIOR CASETAS Figura 6.13 Comparativa temperatura exterior fachada sur MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 54 Figura 6.14 Comparativa temperatura exterior cubierta Se muestra en las gráficas anteriores que la temperatura exterior de ambas casetas es muy parecida en la fachada sur, pero en la cubierta se difiere un poco más en las temperaturas de ambas casetas. Los motivos de esta variación pueden ser muy variados, uno de ellos es la dirección del viento y velocidad del viento ya que dependiendo de cómo sople el viento la temperatura aumentará o disminuirá. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 55 COMPARATIVAS TEMPERATURA DISTINTAS PIELES DEL CERRAMIENTO La siguiente comparativa estudia las distintas temperaturas que existe en un cerramiento durante una hora. Las horas elegidas son las 7 de la mañana, las 2 de la tarde y las 10 de la noche. El estudio se realizada para la fachada sur de los dos recinto y para la cubierta de los dos recintos. Figura 6.15 Fachada sur caseta 1, 7:00 horas. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 56 Figura 6.16 Fachada sur caseta 1, 14:00 horas. Figura 6.17 Fachada sur caseta 1, 22:00 horas. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 57 Las temperaturas exteriores de la caseta a primera hora de la mañana son muy parecidas a las temperaturas interiores, ya que el calor acumulado en el interior de la caseta a lo largo del día anterior se ha ido perdiendo durante la noche. A las 14:00 horas las temperaturas exteriores son superiores a las temperaturas interiores, habiendo una variación de temperatura de 10 O C. Por la noche existe mayor diferencia entre las temperaturas exteriores y las temperaturas interiores siendo las temperaturas interiores hasta 8 O C mayor que las temperaturas exteriores. Figura 6.18 Cubierta caseta 1, 7:00 horas. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 64 Figura 6.30 Comparativa casetas Figura 6.31 Fachada sur caseta 2 Espesor Aislamiento 0.20 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 65 Figura 6.32 Comparativa casetas Figura 6.33 Fachada sur caseta 2 Espesor Aislamiento 0.26 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 66 Figura 6.34 Comparativa casetas Figura 6.35 Fachada sur caseta 2 Espesor Aislamiento 0.30 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 67 Figura 6.36 Comparativa casetas Se observa que a medida que vamos aumentando el espesor del aislamiento, la gráfica se va haciendo más constante y va disminuyendo la temperatura máxima del recinto, encontrándose en las horas frías el balance siempre superior a la temperatura real. Mientras que si comparamos las dos caseta, a medida que se aumenta el espesor del aislante y por lo tanto su masa térmica, a partir de las 12.30 la temperatura de la caseta 2 (la que dispone del aislante térmico) es superior a la de la caseta 1. MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 68 7. PERFILES TÉRMICO El perfil térmico de un cerramiento es una representación gráfica de la temperatura puntual del mismo a lo largo de su espesor. Este tipo de representaciones nos da información sobre la resistencia a la inercia térmica del cerramiento. Figura 7.1 Perfiles térmicos Q1 es la energía necesaria para calentar el recinto interior, en el caso que exista un límite interno adiabático ideal Q1 + Q2 + Q3 es la energía para calentar el recinto interior y el muro en el caso que exista un límite externo adiabático ideal Q1 + Q3 es la energía para calentar el recinto interno y el muro en un caso real. Q3 Q2 T exterior T interior Q1 MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 69 En nuestro caso disponemos de los siguientes perfiles térmicos:  Caseta 1, fachada sur: Sensor Fecha Hora Temperatura T1S1 11/12/2010 0:13 11.57 T1S2 11/12/2010 0:13 11.58 T1S3 11/12/2010 0:13 12.55 T1S4 11/12/2010 0:13 12.67 Figura 7.2 Perfil térmico 0:00 horas INTERIOR EXTERIOR MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 70 Figura 7.3 Perfil térmico 7:00 horas Sensor Fecha Hora Temperatura T1S1 11/12/2010 14:06 33.2 T1S2 11/12/2010 14:06 33.93 T1S3 11/12/2010 14:06 23.63 T1S4 11/12/2010 14:06 21.33 Figura 7.4 Perfil térmico 14:00 horas Sensor Fecha Hora Temperatura T1S1 11/12/2010 7:00 11.41 T1S2 11/12/2010 7:00 11.42 T1S3 11/12/2010 7:00 12.03 T1S4 11/12/2010 7:00 12.11 INTERIOR EXTERIOR INTERIOR EXTERIOR MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 71 ensor Fecha Hora Temperatura T1S1 11/12/2010 22:15 7.27 T1S2 11/12/2010 22:15 7.25 T1S3 11/12/2010 22:15 13.43 T1S4 11/12/2010 22:15 14.11 Figura 7.5 Perfil térmico 22:00 horas  Caseta 2, fachada sur: Figura 7.6 Perfil térmico 0:00 horas Sensor Fecha Hora Temperatura T2S1 11/12/2010 0:13 11.6 T2S2 11/12/2010 0:13 11.58 T2S3 11/12/2010 0:13 12.81 T2S4 11/12/2010 0:13 12.83 INTERIOR EXTERIOR INTERIOR EXTERIOR MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 72 Sensor Fecha Hora Temperatura T2S1 11/12/2010 7:00 11.39 T2S2 11/12/2010 7:00 11.38 T2S3 11/12/2010 7:00 12.2 T2S4 11/12/2010 7:00 12.24 Figura 7.7 Perfil térmico 7:00 horas Figura 7.8 Perfil térmico 14:00 horas Sensor Fecha Hora Temperatura T2S1 11/12/2010 14:06 38.94 T2S2 11/12/2010 14:06 39.11 T2S3 11/12/2010 14:06 17.11 T2S4 11/12/2010 14:06 16.88 INTERIOR EXTERIOR INTERIOR EXTERIOR MARTÍNEZ BERNAL, MARÍA DOLORES PFG CURSO 2010-2011 COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE UNA CONSTRUCCIÓN PARA ENSAYOS AL AIRE LIBRE 73 Sensor Fecha Hora Temperatura T2S1 11/12/2010 22:15 7.15 T2S2 11/12/2010 22:15 7.11 T2S3 11/12/2010 22:15 14.07 T2S4 11/12/2010 22:15 14.11 Figura 7.9 Perfil térmico 22:00 horas  Caseta 1, cubierta Sensor Fecha Hora Temperatura T1T1 11/12/2010 0:13 11.44 T1T2 11/12/2010 0:13 11.4 T1T3 11/12/2010 0:13 12.67 T1T4 11/12/2010 0:13 12.68 Figura 7.10 Perfil térmico 0:00 horas INTERIOR EXTERIOR INTERIOR EXTERIOR