Caracterización de ventilación nocturna en edificios mediante técnicas CFD

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Intensificación energética Caracterización de ventilación nocturna en edificios mediante técnicas CFD Autor: Olga Sánchez Roelas Tutor: José Luis Molina Félix Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 3 Trabajo Fin de Grado Ingeniería en las Tecnologías Industriales Caracterización de ventilación nocturna en edificios mediante técnicas CFD Autora: Olga Sánchez Roelas Tutor: José Luis Molina Félix Catedrático Co-tutor: José Sánchez Ramos Investigador Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 5 Trabajo Fin de Grado: Caracterización de ventilación nocturna en edificios mediante técnicas CFD Autor: Olga Sánchez Roelas Tutor: José Luis Molina Félix El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2015 El Secretario del Tribunal 7 A mis padres, hermana y familia por sentiros tan cerca siempre. 9 El aprovechamiento del calor nocturno que se acumula en los muros de edificios lleva al estudio de la implementación de un procedimiento para la caracterización de la ventilación nocturna en edificios, lo que supone un ahorro energético. Este procedimiento permitirá el diseño de nuevos edificios con este tipo de aprovechamiento energético. En este trabajo se puede encontrar reflejada la literatura sobre la actualidad en cuanto a ventilación se refiere. Se presentan las herramientas necesarias para la caracterización de la ventilación nocturna, en las distintas situaciones existentes, desde la definición de las condiciones de contorno, pasando por el cálculo de coeficientes de transferencia convectiva, siguiendo por la caracterización de patrones de flujo para terminar evaluando los ahorros. Figura 37. Metodo para el analisis del perfil de velocidades y el desprendimiento de la capa límite. 59 Figura 38. Graficas de los perfiles de velocidades que detallan los valores que adquiere la velocidad 60 Figura 39. Contorno de presiones en el plano horizontal para la Simulación 1M-CL y 2M 61 Figura 40. Contorno de presiones totales en el plano vertical para la simulación 1M-CL y 2M 61 Figura 41. Distribución de presiones (Cp) en el plano horizontal que corta la columna por la mitad. 61 Figura 42. Evolución de las velocidades y estela turbulenta en el plano vertical por la mitad 62 Figura 43. Detalle del desprendimiento de la capa límite y comportamiento del fluido, 1M y 4B. 62 Figura 44: Esquema del estudio realizado 63 Figura 45: Esquema de la malla 64 Figura 46. Transición a la turbulencia en régimen turbulento 64 Figura 47. Esquema conducto circular 66 Figura 48: perfiles de velocidades Re 63e+4 66 Figura 49. Esquema placa plana. 67 Figura 50: Nusselt frente a la posición 68 Figura 51. Imagen exterior del edificio bajo reforma 71 Figura 52. Imagen de la fachada Este del edificio de las viviendas estudiadas. 71 Figura 53. Componentes de la velocidad del viento 72 Figura 54. Orientación eólica dominante Málaga [16] 72 Figura 55. Plano de la vivienda con las separaciones realizadas y la señalización de los huecos 73 Figura 56. Capturas de la implementación en FLUENT 73 Figura 57. Plano del perfil del edificio 74 Figura 58. Disposición de huecos en fachada de Zona 1 75 Figura 59. Disposición configuraciones posibles en la fachada de Zona 2 75 Figura 60. Huecos de entrada y salida en fachada 76 Figura 61. Esquema de isovalores de y+, según la malla implementada 77 Figura 62. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 8 78 Figura 63. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 9 78 Figura 64. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 10 78 Figura 65. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 11 78 Figura 66. Caso A 79 Figura 67. Caso C 79 Figura 68. Caso B 79 Figura 69. Caso D 79 Figura 70. Caso E 79 Figura 71. Caso F 79 Figura 72. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 1 80 Figura 73. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 2 80 Figura 74. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 3 80 Figura 75. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 5 80 17 Figura 76. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 4 80 Figura 77. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 6 80 Figura 78. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso extra 81 Figura 79. Incremento de la inercia en la envuelta del edificio mediante cerramientos de hormigón 82 Figura 80. Simulación ventilación 83 Figura 81. Mallado del recinto a estudiar, salón 84 Figura 82. Se imponen las condiciones de contorno 84 Figura 83. Discretización realizada 85 Figura 84. Evolución térmica del recinto horas nocturna 85 Figura 85. Velocidad del aire en el salón. 85 Figura 86. Geometría vivienda unifamiliar 86 Figura 87. Geometría vivienda unifamiliar (2) 86 Figura 88. Dimensiones vivienda unifamiliar 86 Figura 89. Dimensiones ventana 1 87 Figura 90. Dimensiones ventana 2 87 Figura 91. Efidicio por zonas 90 19 Este tabajo con título “Caracterización de ventilación nocturna en edificios mediante técnicas CFD ”, elaborado por Olga Sánchez Roelas y dirigido por Don José Luis Molina Félix, es el trabajo fin del grado “Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales” de la Universidad de Sevilla. Además ha contado con la cotutoria de D. José Sánchez Ramos, sin su ayuda estre trabajo no habría podido salir adelante. Eternamente agradecida por sus horas de apoyo y dedicación. El objetivo principal del trabajo es la implementación de un procedimiento para la caracterización de la ventilación nocturna en edificios y el ahorro energético que esto supone. Esto permitirá el diseño de edificios con este tipo de aprovechamientos energéticos. El trabajo realizado se encuentra estructurado en tres bloques: En el primero de ellos se muestra una introducción a la situación actual en cuanto a normativa existente, técnicas de ventilación utilizadas actualmente y ejemplos de artículos publicados relacionados con la temática. En el segundo bloque, se explican las herramientas que van a ser necesarias para llevar a cabo las aplicaciones referidas para la optimización de la ventilación nocturna. Finalmente, en el último bloque, se encuentran las aplicaciones necesarias para el estudio de la ventilación nocturna en edificios, que son presentadas a continuación: - Aplicación 1: Definición de condiciones de contorno, caracterizando los flujos de salida y entrada de aire y generando los patrones. - Aplicación 2: Cálculo de coeficientes de transferencia convectiva, caracterizando la aerodinámica del edificio para aprovechar el viento. - Aplicación 3: Caracterización de patrones de flujo, calcularndo coeficientes de transferencia convectivo con calidad suficiente. - Aplicación 4: Evaluación de ahorros, valorando el efecto energético en una herramienta de simulación. 21 1 1.1 CONTEXTO El uso de energía en los edificios residenciales y comerciales es responsable del 40 %, aproximadamente, del consumo total de energía final de la Unión Europea y del 36 % de las emisiones totales comunitarias de CO2. El potencial de ahorro rentable de energía para 2020 es importante: puede llegarse a utilizar un 30 % menos de energía en este sector, lo que equivale a una reducción del 11 % en el uso de energía final de la UE. Sin embargo, esa demanda energética crece como consecuencia del aumento en la construcción, especialmente en países emergentes como China e India. Por tanto, los edificios pueden llegar a ser uno de los principales campos de batalla en la lucha por un mejor uso de la energía y contra el Cambio Climático. Hay que añadir que se trata de una incidencia a largo plazo, pues el producto en cuestión presenta una gran durabilidad. De hecho, se estima que, sólo en Europa, los edificios actualmente existentes consumirán en el año 2050 alrededor de los dos tercios de todo lo que consumirá el sector de la edificación (G. Henderson y otros, “Energy labelling of Existing Buildings”, Proceedings of the 2001 ECEEE summer study). En la Unión Europea se ha dado el primer paso con el siguiente compromiso “Eficiencia energética: alcanzar el objetivo del 20 %”. Las autoridades europeas se comprometieron a reducir para 2020 el consumo de energía primaria en un 20 % respecto a las proyecciones previstas. Aumentar la eficiencia energética es la forma más rentable de reducir el consumo de energía manteniendo a la vez un nivel equivalente de actividad económica. Ese aumento también sirve para tratar los desafíos energéticos clave, a saber, el cambio climático, la seguridad energética y la competitividad. Este compromiso se traduce en un cambio en la legislación comunitaria sobre eficiencia energética, con el objetivo de mejorar considerablemente la eficiencia energética de sectores clave consumidores de energía. Sin embargo, la legislación vigente al respecto no va a provocar por sí sola un ahorro de energía suficiente para alcanzar este objetivo del 20 % de reducción. Entre los principales obstáculos que se oponen a la mejora de la eficiencia energética pueden citarse: la deficiente aplicación de la legislación vigente, la falta de concienciación de los consumidores, y la ausencia de estructuras adecuadas que lleven a inversiones fundamentales en edificios, productos y servicios eficientes energéticamente, así como a la aceptación comercial de estos. La evaluación de los planes nacionales de acción para la eficiencia energética, pone de manifiesto que no es lo mismo el compromiso político de los Estados miembros para mejorar la eficiencia energética que sus acciones. Los Estados miembros tienen que aplicar la legislación correspondiente de forma más ágil y efectiva. Para incrementar más la eficiencia energética es necesario elaborar nuevos instrumentos. El objetivo de la Unión Europea de reducir el consumo de energía en un 20% para 2020 requiere una significativa inversión en eficiencia energética, sobre todo en los próximos años, además de significativa tiene que ser ágil. Por estos motivos, el crecimiento de las compañías de servicios energéticos en edificios jugará un papel fundamental, al favorecer la competencia de entidades privadas en el aumento de la eficiencia energética, no por obligatoriedad si no por el ahorro energético, traducido a ganancias monetarias, acercando la meta del 20% comunitario. En vistas de la necesidad de estas empresas, los mercados de financiación para Contractos de Mejora Energética (EPC) y de Gestión Energéticas (CEM) están creciendo. Unido a esto, se han incrementado el número de cuerpos de la administración pública que demandan contratos con ESCOs para auditar, gestionar y mantener sus propios edificios. Esta situación se traduce no solo en un cambio de legislación si no de financiación para aprovechar esta oportunidad y reto. La necesidad de construir de una manera más eficiente conlleva a la necesidad de desarrollar este tipo de estudios, que favorecen y agilizan la toma de decisiones en la fase de diseño de los edificios de alta eficiencia. A día de hoy, el concepto de edificio de consumo de energía casi nula en España aún es objeto de debate y todavía no se ha definido con exactitud. Aunque se están implantando estrategias para conseguir este tipo de edificios sin definir del todo, como la primera modificación en 2013 del Documento Básico de Ahorro de Energía del Código Técnico de la Edificación (CTE), España debe empezar a trabajar más en serio en la realización de un edificio de referencia de alta eficiencia energética. La Directiva 2010/31 es muy clara: los Estados miembros deben tomar las medidas necesarias para asegurar que los edificios nuevos cumplan los requerimientos mínimos de eficiencia de energía. Antes de que se inicie la construcción, se debe tener en cuenta la viabilidad técnica, medioambiental y económica de instalaciones alternativas de alta eficiencia. Además se han impuesto dos obligaciones: - Para 2018 todos los edificios ocupados y que sean propiedad de autoridades públicas de nueva construcción deben ser edificios de consumo de energía casi nula. - Para 2020 todos los edificios de nueva construcción deben ser edificios de energía casi nula. [1] A falta de tres años para que se cumpla el plazo, aún queda un largo camino por recorrer. Es por eso que se desarrolla este estudio. Cuando para los agentes de la construcción todo sean prisas, esta herramienta rápida y sencilla les permitirá conocer la demanda y sus variaciones en función de las medidas que vaya incorporando y, así, tomar decisiones en poco tiempo con respecto al proyecto que presenten. 1.1.1 H2020 El Horizonte 2020 (H2020) [2] se trata de un Programa Marco en el que la Unión Europea centra una parte importante de sus investigaciones. Cuenta con un presupuesto de aproximadamente 76 880 M€ con los que, hasta 2020, se pretende lograr los siguientes objetivos: La excelencia en la ciencia europea El desarrollo de tecnologías y sus aplicaciones para conseguir una Europa más competitiva industrialmente La investigación sobre las cuestiones que afectan a los europeos Dentro de este último objetivo, se especifican los temas a tratar, entre los que se encuentra la energía: se pretende conseguir una energía segura, limpia y eficiente. Se trata de uno de los retos sociales que plantea el H2020. Se persigue el paso a un sistema energético posible, seguro, competitivo, que sea aceptado por la población y que se pueda mantener. Con ello, se pretende conseguir una reducción de la dependencia actual de los combustibles fósiles, pues cada vez hay una mayor carencia de recursos con el aumento de las necesidades energéticas y del cambio climático. Las líneas de actuación de este reto social se central en: 1. Suministrar electricidad a bajo coste: se pretende desarrollar el potencial de la energía eólica y de sistemas de energía solar competitivos y seguros para el medio ambiente. Además se busca la evolución otras formas de energía renovable como la geotérmica. 2. Lograr una red eléctrica única en Europa: se persigue una red que responda a la creación de un mercado para todo el continente, en el que se integren las fuentes de energía renovables y en la que las interacciones entre todos los usuarios (clientes y proveedores de energía) estén bien gestionadas. 3. Emplear combustibles alternativos y fuentes de energía móviles: además de apostar por otro tipo de combustibles, se trabaja por la sostenibilidad y competitividad de la bioenergía, así como facilitar el comercio de pilas de combustible y tecnologías que trabajan con hidrógeno. 4. Promover nuevas tecnologías y conocimientos: se debe realizar una investigación en varias disciplinas relacionadas con la energía, que permita el avance de tecnologías y la competitividad y sostenibilidad de éstas. 5. Tomar decisiones con firmeza y conseguir el compromiso público: se facilita a los responsables de las políticas un análisis contrastado que se basa en el conocimiento de servicios, infraestructuras, tecnologías y mercados energéticos y en el comportamiento de los consumidores. 6. Conseguir la absorción de las innovaciones en cuanto a energía por el mercado: se trata de crear unas condiciones favorables de mercado en cuanto a normas, administración y financiación, para soluciones renovables y eficientes. 23 7. Reducir el consumo de energía y las emisiones de CO2: se busca un uso inteligente de la energía y un aprovechamiento del potencial de los sistemas eficientes y renovables de refrigeración y calefacción. En esta materia de reducción del consumo de energía y emisiones, los objetivos que se pretenden conseguir para 2020 son la reducción en un 20% del consumo energético, fomentando la eficiencia energética y vinculando la energía procedente de fuentes renovables, de modo que ésta suponga un 20% del consumo energético total de la Unión para ese año. 1.1.2 Directiva EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) Se trata de la Directiva 2010/31/UE [1] del Parlamento Europeo y del Consejo relativa a la eficiencia energética de edificios (refundición). Dados los nuevos objetivos y exigencias europeos, se hace necesaria la modificación y refundición de la directiva anterior. Como se dijo anteriormente, para el 2020 debe producirse una reducción del 20% del consumo de energía y de emisiones de gases efecto invernadero y que un 20% de ésta energía sea procedente de fuentes energéticas renovables. La energía que consumen los edificios en la Unión Europea supone el 40% del consumo total de energía. Además, éste sector sigue expandiéndose, por lo que su correspondiente consumo seguirá aumentando. Es por eso que si se reduce la energía consumida por los edificios y se introduce el uso de energías que proceden de fuentes renovables en éstos, supondrá una mejora relevante en el camino hacia cumplir los objetivos de reducción de emisiones de gases efecto invernadero y de disminución de la dependencia energética de la Unión con respecto a combustibles fósiles. Es importante recalcar que las medidas que se adopten no sólo permiten alcanzar los objetivos marcados para los países miembros en 2020, sino que también poseen un papel decisivo en el fomento de la seguridad de abastecimiento energético y del desarrollo tecnológico, haciendo posible la generación de empleo y el desarrollo regional. Con la directiva 2010/31/UE se da respuesta a la necesidad de acciones más específicas para el aprovechamiento del potencial que poseen los edificios en cuanto a ahorro de energía y para la reducción de las diferencias existentes entre los Estados miembros en este sector. Se pueden recopilar los requerimientos de esta directiva en las siguientes líneas: 1. Establecimiento de unos requisitos mínimos en cuanto a eficiencia energética en edificios de nueva construcción así como en edificios ya existentes y su aplicación La metodología empleada para el cálculo de eficiencia en el edificio puede variar ente naciones y regiones. Ésta debe cubrir los resultados de eficiencia de todo un año, no sólo de las estaciones en las que es necesario el uso de refrigeración o calefacción. En su cálculo, deben incluirse factores como la utilización de energía que procede de fuentes renovables, sistemas de calefacción y refrigeración, la adecuada iluminación natural y calidad del aire interior y el diseño del edificio y se deben tener en cuenta las normas europeas en vigor. Los Estados miembros de la Unión Europea son los responsables exclusivos de establecer requisitos mínimos de dicha eficiencia energética de los edificios y de sus elementos, teniendo en cuenta las condiciones climáticas y las peculiaridades de cada localidad. Estos requisitos deben ser sostenibles y rentables, lo que significa que debe alcanzarse un equilibrio óptimo entre lo que se invierte y el ahorro energético que se produce durante el ciclo de vida del edificio. Estos requerimientos suponen un indicador mínimo pero no máximo. Esto quiere decir que los países miembros pueden establecer unos mínimos que sean más eficientes energéticamente que los niveles considerados óptimos en cuanto a eficiencia de energía. Es necesaria una revisión periódica de estos mínimos para seguir progresando técnicamente. La aplicación de estas condiciones mínimas de eficiencia energética de los edificios se realiza tanto a edificios nuevos o nuevas unidades de éstos como a edificios ya existentes objeto de reformas relevantes o elementos de éstos cuando se instalen o se mejoren. 2. Creación de un marco común general de una metodología de cálculo de la eficiencia energética de edificios o unidades de éstos La Comisión Debe establecerse un marco comparativo para el cálculo de los niveles óptimos de rentabilidad de los requerimientos mínimos de eficiencia de energía de los edificios. Los países miembros han de utilizarlo con el objeto de comparar los requisitos mínimos de eficiencia energética adoptados por cada uno de ellos. Si existen discrepancias, entre los niveles óptimos de rentabilidad calculados y las condiciones mínimas de eficiencia de energía en vigor, que superen el 15%, los Estados miembros están obligados a justificar dicha discrepancia o promover las medidas necesarias para reducirla. Además, los países deben determinar el ciclo de vida útil del edificio o de sus elementos en función de la experiencia y la práctica. Los resultados que se obtengan de esta comparación y los datos empleados para llegar a ellos han de comunicarse a la Comisión cada ciertos periodos de tiempo, de manera que ésta pueda evaluar cómo progresa cada país en su objetivo hacia unos niveles inmejorables de rentabilidad de los requisitos mínimos de eficiencia de energía en los edificios. 3. Definir planes nacionales destinados a conseguir un aumento del número de los edificios de consumo de energía casi nulo Los Estados miembros deben asegurarse de que: El 31 de diciembre de 2020, como muy tarde, todos los edificios nuevos sean edificios de consumo de energía casi nulo, pues el sector público debe servir de ejemplo. A partir del 31 de diciembre de 2018, los edificios nuevos que estén ocupados y que sean propiedad de autoridades públicas sean edificios de consumo de energía casi nulo. Para lograr esto, los países miembros realizarán planes nacionales con el objetivo de aumentar el número de edificios de consumo de energía casi nulo. Siguiendo el ejemplo del sector público, formularán políticas y tomarán medidas para estimular la transformación de edificios en edificios de consumo de energía casi nulo. Estos planes incluirán: La aplicación de la definición de edificios de consumo de energía casi nulo, la cual reflejará las condiciones nacionales, regionales o locales e incluirá un indicador de energía primaria en kWH/m2 al año (basado en valores medios anuales y teniendo en cuenta la normativa europea en vigor). Los objetivos intermedios para lograr la mejora de la eficiencia energética de los edificios nuevos. La información sobre las medidas adoptadas para fomentar los edificios de consumo de energía casi nulo, incluyendo las exigencias sobre el uso de energía procedente de fuentes renovables en edificios nuevos y existentes. La Comisión será informada de estos planes nacionales y los evaluará, en concreto la adecuación de las medidas y políticas adoptadas para la consecución de los objetivos impuestos en esta Directiva. 4. La certificación energética de los edificios o de sus unidades Al posible comprador o arrendatario de un edificio se le debe proporcionar la información correcta acerca de su eficiencia energética, en el certificado de eficiencia energética. Además, este debe incluir consejos prácticos sobre cómo mejorarla. Las campañas de información pueden servir de motivación a propietarios y arrendatarios para mejorar la eficiencia energética de sus edificios o de unidades de estos. El certificado de eficiencia energética también ha de dar información sobre el impacto real de la calefacción y la refrigeración en las necesidades de energía del edificio, de su consumo de energía primaria y de sus emisiones de dióxido de carbono. Con el objeto de aumentar la transparencia de la eficiencia energética en el mercado de la propiedad no residencial en la Unión Europea, se han de fijar unas condiciones comunes para la certificación de la eficiencia energética de los edificios no residenciales. Las autoridades públicas deben dar ejemplo y procurar aplicar las recomendaciones contenidas en los certificados de eficiencia energética. 5. La inspección periódica de las instalaciones de aire acondicionado y calefacción de edificios 25 La inspección periódica y mantenimiento de las instalaciones de aire acondicionado y calefacción ayudan a que éstas se ajusten a las especificaciones de los equipos, de manera que se asegure su rendimiento óptimo desde el punto de vista de la seguridad, de la energía y del medio ambiente. Conviene, además, realizar una evaluación independiente de toda la instalación de calefacción y aire acondicionado periódicamente durante su ciclo de vida y, sobre todo, antes de su sustitución o mejora. 6. Los sistemas de control independiente de los certificados de eficiencia energética y de los informes de inspección. 1.1.3 Normativa española De la revisión bibliográfica se ha llegado a la conclusión de que, el carácter novedoso del tema de herramientas informáticas corregidas o calibradas mediante datos medidos para la estimación de ahorros energéticos en edificios terciarios, hace que no existe un cuerpo doctrinal suficiente como para generar una normativa. Sin embargo, existen herramientas informáticas para evaluación del comportamiento térmico de edificios si existen en normativas nacionales y europeas. En el proyecto ENCERTICUS (Energy Certification, Technology, Information and Communication for User Satisfaction), cofinanciado con fondos para el desarrollo europeo regional (ERDF) de la comisión Europea a partir del programa MED, se ha generado la siguiente tabla: Tabla 1. Herramientas desarrolladas para verificación de estándares energéticas en EU En ella se muestran las herramientas desarrolladas por los países miembros de la zona mediterránea con objeto de verificar el cumplimiento de sus estándares, es decir, de la transposición de la directiva europea EPBD (“Transposition of the 2002/91/EC and 2010/31/EU”). La EPBD es un instrumento jurídico que promueve un consumo eficiente de la energía en el sector de la edificación a nivel europeo, combinando instrumentos de carácter preceptivo (obliga a los Estados miembros a establecer requisitos de eficiencia energética para los edificios nuevos y existentes que sean objeto de reforma) e instrumentos de carácter informativo (tales como la emisión de certificados de eficiencia energética en el momento de la compra-venta o alquiler y los requisitos para las inspecciones de los sistemas de La inercia térmica es un recurso utilizado en la arquitectura bioclimática. Consiste en la capacidad de determinados elementos -arquitectónicos en este casopara almacenar calor (energía), conservarlo y liberarlo de una manera paulatina, permitiendo un menor uso de sistemas mecánicos de calefacción e incluso de refrigeración. Esto permite conseguir temperaturas estables a lo largo del día, y por tanto el confort térmico deseado. La inercia térmica depende de las características del material de dicho elemento: - Su calor específico (c) o capacidad para almacenar calor (c = J/Kg.K). - Su masa (Kg): la capacidad calorífica (C), mide relación entre la energía o calor transmitida a un cuerpo y la variación de temperatura que experimenta (C = J/K). Cuanto mayor es la capacidad calorífica de un cuerpo, mayor energía hay que transmitirle para que aumente su temperatura en un grado; y cuanto mayor es su masa (C = c x masa (Kg)), mayor es la capacidad calorífica, y por tanto su inercia térmica. - Su densidad (Kg/m³). Relaciona el volumen y la masa del elemento. A mayor densidad, mayor inercia térmica. - Su coeficiente de conductividad térmica (λ) o capacidad para conducir calor (W/mK). Los materiales que sean buenos conductores colaboran en el aumento de la inercia térmica interior. 1.2.1.1 Tecnología solar pasiva para calefacción y refrigeración aprovechando la inercia La inercia térmica de materiales utilizados en la construcción permite mantener la temperatura estable a lo largo del día, en los espacios interiores habitables. En verano, un muro másico, que presenta una gran inercia térmica, absorbe calor durante el día del ambiente interior, debido a la diferencia de temperatura entre ambos, lo va almacenando de manera progresiva, y se disipa durante la noche, con una ventilación adecuada. A la mañana siguiente, dicho muro ha reducido su temperatura, para empezar de nuevo el ciclo: absorbe calor durante el día, y lo emite durante la noche, manteniendo una temperatura constante y reduciendo la necesidad de utilizar el equipo de refrigeración. Figura 3. Aprovechamiento del efecto solar Durante las estaciones más frías, el funcionamiento consiste en almacenar calor durante el día, para después devolverlo al ambiente interior durante la noche cuando desciende la temperatura. Se trata de mecanismos de refrigeración y calefacción pasivos, que aprovechan la diferencia de temperatura entre el elemento constructivo y su entorno, amortiguan las diferencias térmicas, y se comportan de forma anticíclica (amortiguación y retardo). Evidentemente, el aprovechamiento efectivo de estos sistemas implica un estudio previo del clima en el que se ubica el edificio – orientación, asoleamiento, horas de radiación, etc.-, una adecuada aplicación del mecanismo, que evite temperaturas elevadas en estancias donde no se requiere, junto con un buen sistema de ventilación, que permita enfriar la masa térmica en verano. 33 Figura 4 Lugares de colocación de la masa térmica en el edificio [3] 1.2.1.2 Materiales con elevada inercia térmica El uso de medidas pasivas en la construcción, permite reducir el consumo de energía de las instalaciones térmicas por lo tantopara alcanzar el confort deseado en el interior de los edificios. Entre estas medidas, destacamos el uso de materiales con gran inercia o capacidad calorífica como el agua, el granito, la tierra seca y el adobe o el acero (capacidad calorífica entre 500 y 1000 Kcal/m³°C); para la construcción de elementos constructivos bioclimáticos. Figura 5. Aprovechamiento material con elevada inercia térmica Otros materiales más habituales en la construcción y que también tienen una capacidad calorífica aceptable son la madera, el ladrillo o el hormigón, por un lado (entorno a 400 Kcal/m³°C), y los aislantes térmicos (capacidad calorífica inferior a 40 Kcal/m³°C) como la lana mineral, el EPS y el poliuretano, o la celulosa que se utiliza como aislamiento térmico, por otro. 1.2.2 Ventilación activa 1.2.2.1 Nigth Cooling o Enfriamiento Nocturno El enfriamiento nocturno (Night Cooling) consiste en ventilar el edificio en el periodo de desocupación para enfriarlo. - El objetivo es enfriar la masa del edificio cuando la temperatura exterior es baja (noche). Así, la estructura del edificio se enfría durante la noche, creándose en el propio seno del edificio un sumidero de calor que estará disponible para disipar el calor generado durante el periodo de ocupación. Este sumidero, absorberá las ganancias de calor debidas a ocupación y equipos, manteniendo unas condiciones interiores aceptables. Esta técnica, bien controlada y diseñada, reduce el pico de demanda del edificio en su arranque diario o tras un periodo de desocupación en los periodos de refrigeración. - Existe una problemática asociada a esta medida: dificultad de evaluar el ahorro obtenido, es decir, de simular/caracterizar la implementación de la misma, ya que depende fuertemente de la inercia del edificio, que como sabemos es difícil de cuantificar. - La principal limitación de esta medida es evitar introducir en el edificio aire exterior con alta humedad (por encima del 60%) para evitar condensaciones superficiales. Esto conduce a la necesidad de medir temperatura y humedad del aire exterior; siempre que el aire exterior esté a una temperatura inferior o igual a la del interior del edificio y su humedad relativa esté por debajo del 60% se puede usar para ventilar. - Se debe diseñar el sistema para que la distribución del aire por la zona sea la mejor posible, para favorecer que ese aire transfiera con la mayor cantidad de masa posible. - El parámetro más importante en el proceso, es el gasto asociado al funcionamiento del sistema ventilación, es decir, hay que tener en cuenta que durante el enfriamiento nocturno se tiene un consumo de ventilación, lo que hace que las horas de funcionamiento de esta medida deban estar controladas. En este caso, el ahorro al no ser cuantificable con exactitud, la valoración consumoahorro es imposible. Todo lo que sea ventilar aire cuando cumpla esas restricciones es beneficioso, por lo que se proponen dos alternativas: A) durante el periodo de refrigeración establecer unas horas de funcionamiento constantes para el modo de ventilación nocturna (ej. 2 horas antes del periodo de ocupación); B) “decisión a pie de campo”, instalar el sistema y ponerlo a funcionar evaluando el consumo que produce, antes de instalarlo y al instalarlo, variando las horas de funcionamiento del mismo hasta el momento que interese (esta opción, se engloba dentro del marco de gestión y dirección energética de edificios, y requiere la medición de consumos). 1.2.2.2 PHDC PHDC, es un proyecto internacional, creado con el objetivo de promover el uso de sistemas de refrigeración Pasivos e Híbridos en los edificios entre profesionales de diseño, constructores, propietarios y usuarios. PHDC supone una alternativa energética, rentable y ecológica para edificios nuevos y existentes. Lo que, en el contexto actual del cambio exigido a los sistemas de refrigeración convencionales, representa una enorme oportunidad para la reducción del consumo energético y de las emisiones. La fuerza promotora del tiro térmico invertido, capaz de difundir el aire por el edificio y servir de fuente de refrigeración es el enfriamiento del aire (menor temperatura y más húmedo); crea un aumento de su densidad. La fuente de aire frío puede ser activa o pasiva. Pasivo. Se consigue mediante la evaporación directa. En climas secos, como los del sur de Europa, en una operación continua se puede cubrir entre el 25 y el 85% de la carga de refrigeración de edificios terciarios (lo que supone 15 – 60 kWh/m2). En edificios residenciales puede reducir la carga por debajo de 15 kWh/ m2 (Estándar de Passive House). Amplia información sobre este tipo de sistemas aparece en el proyecto PDEC (Passive Downdraught Evaporative Cooling) (Passiv Haus Institut, 2012) Activo. Condiciones climáticas calientes pero húmedas, requieren el uso de sistemas activos, en los que el enfriamiento es indirecto por medio de un intercambiador de calor, es decir, se usa un fluido intermedio agua/aire para enfriar la corriente de aire a introducir en el edificio. Aun con el empleo de ventilación mecánica, se consiguen ahorros del consumo eléctrico del 25-35 % (edificios terciarios). 35 Híbrido. Es la combinación de las dos técnicas comentadas. El sistema se adaptaría a diferentes condiciones climáticas (secas y húmedas); lo cual aumenta la aplica-bilidad, referida a la idoneidad de regiones climáticas, como al aumento de horas de funcionamiento. 1.2.2.3 Free Cooling Se trata de un sistema de reducción del consumo energético para enfriamiento gratuito del local a acondicionar que toma el aire exterior para aprovechar su baja entalpía cuando las condiciones exteriores son favorables, lo cual disminuye el uso de los equipos de aire acondicionado. Figura 6. Esquema de funcionamiento del free-cooling En la Figura 6, se detalla el procedimiento usual para realizar el free-cooling; este sistema cuenta con un ventilador en la línea de retorno que conduce el aire hacia el exterior o recirculándolo hacia la unidad de tratamiento de aire. La regulación de la proporción de aire eliminado o recirculado se efectúa mediante un juego de lamas en función del grado de apertura o cierre y una tercera lama en la toma de aire exterior que opera sincronizadamente con el aire eliminado al exterior; así al aumentar el caudal de aire exterior a medida que se abre, se va cerrando la del aire recirculado y se abre la del aire expulsado. 1.3 ESTADO DEL ARTE En este apartado se muestran informes que se pueden relacionar y comparar con los temas comentados en este trabajo. 1.3.1 Análisis con CFD de la ventilación en edificios con posiciones de apertura [4], [5] La posición de las aberturas de las ventanas y la inclinación del techo son parámetros importantes que determinan la eficacia del viento impulsado por ventilación cruzada en edificios. Muchos estudios sobre la ventilación natural se han realizado en el pasado, sin embargo, una revisión detallada de la literatura indica que la mayoría de los estudios se centraron en techos planos con posiciones de apertura simétrica. Hay una falta de investigación que analiza el impacto de las posiciones de apertura y la inclinación del techo en el potencial de ventilación natural. Este artículo presenta simulaciones CFD para analizar el flujo natural de ventilación en un edificio aislado genérico con distintas posiciones de la abertura y cinco diferentes ángulos de inclinación del techo. Las simulaciones se realizan utilizando Navier Stokes y Reynolds. Se basan en un análisis de sensibilidad y en la validación con las mediciones de un túnel de viento anteriormente publicado. Se muestra que el ángulo de inclinación del tejado tiene un efecto significativo en el flujo de ventilación, se aproxima un aumento de la tarifa en más del 22%. La velocidad del aire máxima aumente en locales interiores considerablemente cuando se aumenta el ángulo de inclinación, sin embargo, las diferencias de la velocidad promedio en las zonas ocupadas son solo alrededor del 7%. La posición vertical de la abertura de salida tiene un impacto relativamente pequeño sobre la tasa de flujo de volumen (menos de 4%) y una pequeña influencia en la velocidad promedio en la zona ocupada (<5%). 1.3.1.1 Introducción Un techo de diente de sierra en los edificios puede contribuir a un ambiente interior saludable, ya que permite una mejor combinación de la luz del día y la ventilación natural en comparación con un techo estándar. Estos techos tienen aberturas de nivel inferior en el barlovento y de nivel superior en el sotavento. El uso de las aberturas de nivel superior ubicadas cerca del techo, hace que se puedan alcanzar niveles de intensidad de la luz superiores que los niveles obtenidos en una abertura en el centro o parte inferior de una fachada. [6] 1.3.1.2 Simulación CFD: Configuraciones y parámetros Estos ajustes y parámetros también serán utilizados para el análisis de sensibilidad (resolución de la cuadrilla, turbulencia del modelo, entrada de la energía cinética turbulenta). La siguiente figura muestra la vista frontal de un edificio a escala reducida, estudiado por [7] con el tamaño y las dimensiones en metros. Figura 7. Vista edificio estudiado 1.3.1.3 Solucionador de problemas El código de CFD ANSYS es utilizado para realizar simulaciones. La constante Reynolds promedia 3D (ecuaciones de Navier Stokes) se resuelven en combinación con el modelo k-u. El algoritmo simple es utilizado para el acoplamiento de la velocidad y la presión. La convergencia se supone que se obtiene cuando todos los residuos se estabilizan y se alcanza un mínimo de 10^-6 para x e y, de 10^-5 para z, y de 10^-4 para k y ε. Serán necesarias más de 10400 iteraciones para obtener una solución fiable. Figura 8. Análisis homogeneidad horizontal La anterior imagen muestra un análisis de homogeneidad horizontal: perfiles de la velocidad media del viento (U), energía cinética turbulenta (k) y la tasa de disipación específica (u) en la entrada (líneas continuas) y en la posición del edificio (líneas de puntos). La altura del modelo es 0,08 m. 1.3.1.4 Impacto de la resolución Al realizar un análisis de sensibilidad es importante reducir los errores de discretización y el tiempo de cálculo. En este caso, se realizó un análisis basado en tres redes: (1) una malla gruesa con 421,088 células; (2) una red básica con 770,540 células (caso de referencia); y (3) una última cuadrícula con 1,607,572 células. 37 Figura 9. Comparación de la velocidad media ene l plano vertical, a partir de PIV y CFD 1.3.1.5 Impacto del modelo turbulento La validación del modelo de turbulencia es fundamental para la fiabilidad de las simulaciones CFD. Las simulaciones 3D RANS son llevadas a cabo en combinación con seis modelos de turbulencia. Figura 10. Impacto de la resolución de la cuadrilla Figura 11. Impacto del modelo de turbulencia. Comparación entre PIV y CFD Figura 12. Influencia de la energía cinética turbulenta 1.3.2 Actuación del night cooling en el diseño de habitaciones basado en CFD [8], [9] Especialmente en oficinas, night cooling atrae un interés que está en constante crecimiento. Desafortunadamente, el diseño de las construcciones tradicionales muestra considerables problemas con el calor por convección que se transfiere por las noches a través de sus paredes. Este artículo muestra un procedimiento de optimización de un modelo basado en encontrar soluciones de diseño de habitación/sistema que transfieran un alto flujo de calor por convección durante el enfriamiento de la noche en una oficina genérica. Estos modelos muestran cómo el flujo de calor por convección en la noche está relacionado con el concepto de ventilación, la masa térmica, la geometría y la fuerza impulsora. En realidad, estos modelos básicamente buscan el muestreo de datos para elegir el óptimo global. 1.3.2.1 Introducción Un creciente interés radica en las técnicas de enfriamiento pasivo, sobretodo enfriamiento nocturno. Después de todo, el enfriamiento nocturno mejora el confort de verano y minimiza la necesidad de refrigeración mecánica. Por la noche, se enfría la estructura del edificio. Los días siguientes, la masa térmica absorbe el calor, por lo que el pico de las temperaturas se reducen y atrasan. [10]. Para un rendimiento óptimo, tres elementos básicos son necesarios: el suministro de aire, la capacidad de almacenar calor y la transferencia de calor, especialmente la transferencia de calor por convección durante la noche juega un papel clave. Desafortunadamente, herramientas de diseño habituales hoy en día no pueden captar este caso específico. La creación de nuevos experimentos costosos a partir de correlaciones de transferencia no es factible para los diseñadores. La implementación en CFD para investigar la transferencia del calor convectivo puede proporcionar nuevos conocimientos y podría inspirar a nuevos estudios. 1.3.2.2 Configuración del experimento de simulación Las oficinas abiertas suelen tener una sección longitudinal grande en comparación con el corte transversal y con frecuencia tienen difusores en forma de ventanas. Esto conduce, en términos generales, al flujo de aire 2D, de hecho influenciado por remolinos 3D. Así, no es una mala opción limitar el problema a un caso 2D. Este caso de prueba era básicamente una habitación ventilada con apertura a cada lado. El suministro de aire del lado izquierdo era bastante alto. Sin embargo, esta simple descripción condujo a un gran desarrollo del aire entre las dos paredes, que no apareció tan acentuado en las simulaciones, requería un modelo de aproximación y un bajo número de puntos cerca de la abertura [11] Figura 13. Experimento nombrado 1.3.2.3 Resultados Para garantizar la fiabilidad de los resultados de la simulación, la validación del modelo de simulación era esencial. Sin embargo, no hubo datos disponibles para el caso. Afortunadamente, los datos experimentales del 2D se pueden utilizar. La altura de la sala más grande y un flujo de calor constante en vez de una temperatura fija no plantean ningún problema. Este caso pretende ser un punto de referencia para la convección mixta. Elevar el flujo de calor constante añadido por el suelo permitió determinar que Richardson se desvió en el número de chorros del techo. Las visualizaciones de humo de Schwenke [12] indicaron que el avión cayó inmediatamente hacia abajo cuando Ri excedió 0,02. Probablemente, esto dio como resultado el uso de rejillas, las funciones de pared y modelos simples de turbulencia. Sin embargo, estas opciones fueron lo mejor que podían conseguir. 1.3.3 Efecto de la refrigeración en la noche en la productividad y bioquímica [13] Se ha estudiado el efecto del enfriamiento en la noche en la productividad y composición bioquímica de la tetraselmis suecica cultivada. La hipótesis de que el enfriamiento por la noche disminuiría la tasa de respiración y por tanto mejoraría la productividad fue rechazada. La productividad tras un período de 24 horas y la composición bioquímica sólo estaban influenciadas por la entrada de luz diurna. La cantidad de carbohidratos superior y menor contenido de proteína se observó en los períodos con más luz. Los hidratos de carbono producidos durante el día se utilizaron para la síntesis de proteínas en la noche, mientras que el contenido ácido graso se mantuvo constante durante el día. La tasa de pérdida de carbohidratos en la noche se relaciona linealmente con la tasa de crecimiento específico, por lo tanto con la historia de la luz de las microalgas. 1.3.3.1 Introducción La microalga marina es una materia prima valiosa en la acuicultura, que se utiliza para la alimentación directa para marisco o indirecta como pienso para algunas larvas de peces a través de criaderos. Esta microalga puede ser cultivada mejor en condiciones controladas en fotobiorreactores cerrados (PBR). Esto asegura una alta 39 productividad constant y alta calidad de la materia prima. Especialmente en las etapas post-larvas de moluscos, crustáceos y peces de alta calidad se necesitan algas. Cuando se colocan al aire libre de las condiciones de luz en el PBR no son constants y pueden cambiar a lo largo del día. Durante el día, el CO” de la luz es capturado y la fotosíntesis se está llevando a cabo, mientras que los carbohidratos formados son en parte utilizados en el proceso de respiración. Debido a que predomina la fotosíntesis más que la respiración durante el dia, un aumento neto de la biomasa se observará durante días. Durante la noche la fotosíntesis ya no es possible y la respiración prevalece. Esto resultará en pérdidas de biomasa durante la noche, las células de microalgas metabolizan los hidratos de carbon para fines de mantenimiento y para la síntesis de proteínas y otros compuestos celulares. La productividad neta es, pues, el resultado de la fotosíntesis y la respiración. 1.3.3.2 Fotobioreactor tubular y modo de funcionamiento El experiment fue llevado a cabo en un PBR tubular horizontal en un invernadero situado en Vlissingen, Países Bajos [13]. El efecto de enfriamiento en la noche que afecta en la productividad, la tasa de pérdida de biomasa y composicion bioquímica se estudió a tres temperaturas nocturnas diferentes, 10, 15 y 20°C, manteniendo la temperatura durante el día en 20°C. Los 10°C de la noche fueron escogidos tan bajos para evitar el exceso de estrés de las microalgas. El sensor de temperatura y el Sistema de gestión de datos con un manual controlado se utiliza para mantener la temperatura constant dentro de un rango de ± 0,5°C. Esto fue logrado mediante el uso de un intercambiador de calor a través de agua alrededor de un desgasificador y un Sistema de recirculación incluyendo un dispositivo enfriador/calentador. El puento de referencia de la temperatura era cambiado de forma manual, cambiando al punto de la noche al atardecer y al punto del día a la salida del sol. Cada temperatura de la noche se aplicó durante un período de 14 días en febrero y marzo de 2014, con irradiaciones de luz diarias variando entre 2 y 17 moles por fotones. Se eligieron estos meses por dos razones. En primer lugar, alrededor de marzo se produce el equinocio, con una luz del día y de la noche similar. Febrero, con más de 12 horas de noche fue elegido porque así tiene una duración mayor de enfriamiento. Se esperaba oscuro para tener un mayor efecto sobre la productividad, la biomasa, y la composición bioquímica. 1.3.3.3 Resultados y discusión La Figura 14 muestra la productividad y rendimiento de luz de la microalga. Se muestra una concentración de biomasa de 0,59 ± 0,04 g/L para todos los días experimentales y las tres diferentes temperaturas de cultivo en la noche. Cuando la cantidad de la luz medida como el flujo de fotones diarios aumenta, la productividad neta aumentó y el rendimiento de la luz disminuye. El rendimiento de la luz es siempre mayor a bajo flujo de fotones, ya que menos fotones se están desperdiciando como fluorescencia y calor. Figura 14. Resultado experimento 1.3.4 Modelado en CFD de la transferencia de calor convectivo interior CFD se ha convertido en una herramienta popular para la investigación del calor por convección interior. Se utilizan dos métodos para hacer frente a la transferencia de calor por convección de las paredes en CFD. Una de ellas es aplicar funciones de pared, y el otro es para implementar la modelización próxima a la pared mediante la generación suficientemente fina de malla en la capa límite. El primer método es muy simple, sin embargo, no puede ser aplicable a ambientes interiores. El segundo método es generalmente más preciso pero requiere un número significativo de rejilla de malla para capturar la subcapa límite viscosa. Esta investigación propone ajustar el número de Prandtl en la pared para modificar la función de la temperatura estándar en la pared. El ajuste intenta obtener coeficientes de transferencia de calor por convección, para paredes iguales a las proporcionadas por las fórmulas de la correlación. Debido a la variación de la transferencia de calor convectivo con el número de Prandtl es no lineal, es necesario repetir las simulaciones CFD siguiendo el procedimiento desarrollado. El método propuesto se ha aplicado a modelar tanto la transferencia de calor, el flujo de ventilación y un modo de ventilación por suelo radiante. Los resultados revelan que la función de la temperatura de la pared es capaz de resolver con precisión la transferencia de calor por convección de interior con un número moderado de cuadrícula. La función de la temperatura de la pared con el número de Prandtl produce una distribución de temperatura inaceptable, por lo tanto, no es adecuada para el modelado de transferencia de calor por convección interior. 1.3.4.1 Introducción La transferencia de calor por convección entre la superficie de las paredes sólidas y el aire circundante desempeña un papel importante en la construcción de eficiencia energética, distribución interior de la temperatura del aire, la flotabilidad impulsada, etc. Debido a la condición de no deslizamiento de una pared estacionaria y al amortiguamiento viscoso por el fluido, se forma una capa límite delgada en la region cercana a la pared. Los perfiles de velocidad de aire tienen grandes gradientes dentro de las capas límite y se intercambia impulso en el mismo. Del mismo modo, la transferencia de energía térmica intensa puede tambien producirse en la region cercana a la pared, lo que lleva a un gran gradiente de temperatura al acercarse a la pared. Los perfiles de temperatura de aire dentro de las capas límites deben determinarse para predecir la velocidad de transferencia de calor por convección. 1.3.4.2 Métodos En esta sección, la función de la pared de temperatura se perfila primero, seguido por nuestra estrategia propuesta para ajustar, lo cual conduce a la denominada función de la temperatura ajustada. 1.3.4.3 Descripción de casos Para validar el ajuste propuesto a la pared, función de temperatura estándar, se estudiaron dos casos con convección interna. Uno utiliza un modo de ventilación de mezcla, y el otro emplea un modo de ventilación por desplazamiento de suelo radiante. La velodidad del aire medido y los perfiles de temperatura se aplicaron para evaluar la función de temperatura de la pared ajustada. 1.3.4.4 Resultados Se aplicaron los perfiles de temperatura y velocidad para evaluar el método. Los perfiles calculados, en comparación con los calculados en las pruebas experimentalmente, no tenían parecido. 1.4 OBJETIVOS DEL TRABAJO FIN DE GRADO Véase la Introducción, pág.21. 41 2 PROCEDIMIENTO Este bloque se encuentra dividido en tres etapas diferenciadas. En la primera de ellas, a través del cálculo CFD se estudia cómo va a moverse el aire. En la siguiente etapa, se realiza un análisis de viabilidad, estudiando la demanda energética con apoyo en la herramienta Hulc. Para terminar, una última etapa que trata el ahorro conseguido con las mejoras del frío nocturno. 2.1 ETAPA 1: CFD En esta fase, nos basamos en el trabajo realizado por [14], y continuamos con sus análisis. 2.1.1 Alcance En esta primera etapa, se utiliza CFD para solventar una serie de problemas, para caracterizar la presión que tenemos en las ventanas/paredes/rejillas, dependiendo del lugar en el que nos encontramos. De CFD se estudia: 1. Caracterización aerodinámica del edificio 2. Patrones de flujo 3. Cálculo de coeficientes de transferencia convectiva 2.1.2 Ideas básicas CFD El modelo CFD contiene, desde que se concibe y plantea el problema, hasta que se obtienen las soluciones deseadas, las siguientes etapas y componentes: 1. Geometría 2D o 3D. Se construye mediante la herramienta adecuada una geometría semejante al volumen de control que queremos estudiar. (Sería similar a la construcción de un modelo real, por ejemplo una habitación). 2. Malla. Mediante el software adecuado, se discretiza la geometría previamente planteada. Este suele ser uno de los puntos más críticos en el modelo ya que requiere gran conocimiento y destreza por parte del usuario, para generar una discretización lo suficientemente refinada y que se encuentre dentro de los límites ETAPA 1: Cálculo CFD Cálculo de los coeficientes de transferencia y patrones de flujo, es decir, conocer cómo se mueve el aire. Esta es la única herramienta que nos permite conocer el movimiento del aire. ETAPA 2: Análisis de viabilidad Con apoyo en la herramienta unificada LIDER-CALENER (Hulc), calcular y estudiar la demanda energética. ETAPA 3: ACV Análisis de viabilidad económica en base a parámetros influenciados por conceptos técnicos. Figura 18. Resultado típico del TNO Cp-Generator: Cp versus dirección del viento. Basándonos en estos estudios, se demuestra que el Cp depende de la dirección y velocidad del viento y de cómo éste incide sobre el edificio. Se encuentra una gran dificultad para calcular esta variable, por lo que lo que encontramos una solución en el uso de la herramienta CFD para paliar estas dificultades. 2.1.4 Protocolo General de cálculo CFD de coeficientes de transferencia de calor convectivo. El objetivo principal de este apartado es la formulación del Protocolo de modelado en su totalidad, de manera que se puedan contemplar de una manera fácil y rápida todos los pasos que este incluye desde el planteamiento del problema hasta su resolución. Antes del punto en el que se formula el protocolo en su totalidad, se introducirán algunas consideraciones adicionales que son importantes en el modelado. Es necesaria la introducción de algunos elementos a determinar que forman también parte del modelo CFD. 2.1.4.1 Condiciones de controno de entrada y salida Cobra cierta importancia la forma en la que se asigna las condiciones de contorno en las secciones de entrada del fluido y en la de salida, ya que, según la opción tomada, se esperará cierto problema en la convergencia, un comportamiento más real, etc. Tanto la determinación de las condiciones de entrada o salida presentan en la práctica tres tipos de caracterización del fluido que la traspasa: - Determinación de la velocidad (de manera vectorial): Se determina una cierta velocidad en m/s y la especificación direccional de dicha magnitud. Esta no presenta en concreto fenómenos de inestabilidad y puede resultar realista si el aparato simulado es por ejemplo un ventilador que funcione en dicha dirección determinada. - Determinación de la presión diferencial: Se determina la presión diferencial a la que entraría el aire respecto a cierto punto de referencia. Tampoco presenta específicamente fenómenos de inestabilidad y realiza una representación más real en la caracterización del efecto del viento, u otros sistemas en los que se establezca una diferencia de presión. - Determinación de la cantidad de masa de fluido (Key-Target): Esta condición suele ser ciertamente solicitada en la práctica del modelado en recintos internos, ya que la ventilación de un local vendría determinada por dicha característica. A menudo presenta altos problemas de convergencia por lo que se suele estimar una presión diferencial asociada, y cuando la solución se estabiliza, se modifica la condición de contorno introduciendo una imposición de cantidad de masa (en adelante referido por Key-Target). Si la solución obtenida finalmente, es la oscilación de dicho parámetro, “Cantidad de masa de fluido”, se puede definir la solución con un margen de error de la diferencia entre los valores pico. 49 Además, existe otro punto importante que será la determinación de la turbulencia en el fluido de entrada y de salida. Existen diferentes maneras de especificarlo, desde dar valores a las ecuaciones de cierre de cada modelo, a introducir el valor para la combinación de dos variables turbulentas. En la práctica, se suele utilizar la determinación de los valores de Turbulencia del fluido (%) que se mueve en valores de 1/10% para fluidos muy poco o muy turbulentos respectivamente, y la longitud equivalente (m). 2.1.4.2 Formulación del protocol general. Una vez determinado esto, se recoge a continuación el conjunto de elementos necesarios. A su vez, esto se presenta para dos niveles de detalle requerido: - Alta precisión Este es requerido cuando se necesita determinar una magnitud afectada por los efectos microscopios (p ej. Coeficiente de película), o también cuando se requiere cierta validez en la solución a nivel cuantitativo. - Baja-Media precisión Esta opción implicará que el modelo no tiene una validez cuantitativa contrastada, especialmente en las variables que se determinen en función de los efectos cercanos al muro. No obstante, ya que resultan modelos de muy bajo gasto computacional, pueden ser útiles en la determinación de los patrones de flujo de aire, o el estudio de la ventilación de un recinto a nivel cualitativo o semi-cuantitativo. 2.1.4.2.1 Determinación del margen de error en solución. La determinación del margen de error impuesto en la solución encontrada bajo la aplicación del protocolo se llevará a cabo de la siguiente manera: 1.- Se evaluarán todos los parámetros que incluyen cierto nivel de error (ΔεMODELO, ΔεMALLA, ΔεOTROS (Capa prismáticas, Numero de elementos, etc)) para cada una de las superficies. 2.- Se asigna el error más elevado de entre los anteriormente planteados a su correspondiente superficie, siempre que este valor supere el ΔεINICIAL. 2.1.4.2.2 Esquema general del Protocolo de modelado en CFD para Recintos Interiores. Bajo todas las consideraciones previas, se recoge en el ANEXO II un esquema del protocolo desarrollado. A su vez, se presentan dos versiones, una de alta precisión, y por tanto mayor costo computacional, y una de baja precisión para análisis semi-cuantitativo. 2.2 ETAPA 2: EVALUACIÓN DE AHORROS Para evaluar el desempeño de este elemento en un edificio y realizar su posterior certificación, se debe emplear la opción de las “capacidades genéricas de la envuelta” de la “Herramienta unificada LIDER CALENER”. La idea es usar una herramienta de simulación del comportamiento energético de edificios para calcular la situación de partida del edificio, y poder comparar la situación de partida con la situación mejorada con ventilación nocturna. Para la realización de este procedimiento se sintetizan algunas pinceladas en las siguientes líneas. Para más información se remite al lector al manual de usuario de la herramienta. Para la definición de la medad, es necesario partir de un edificio definido previamente con la “Herramienta unificada LIDER-CALENER”). Para realizar la definición de una capacidad adicional de tipo genérica en la Herramienta Unificada LIDER-CALENER, se selecciona el botón correspondiente en el gestor de capacidades adicionales: Figura 19. Herramienta unificada LIDER-CALENER Ahora bien esta modelización detallada puede ser comparada con una modelización simplificada como la que sigue a continuación. El modelado para la demanda de refrigeración [kWh/m2] queda en función del edificio, del clima y de la propia identificación/ajuste realizado: IDEAL REF D El único término nuevo con respecto a la demanda de calefacción es el término de ganancias por transmisión y ventilación/infiltraciones. Este término responde a la dualidad de este flujo. Como único dato nuevo: Grados día como Temperatura seca exterior menos 25 cuando esta es superior a 25ºC, en ºC. Relacionado con el punto anterior, el efecto de pérdidas posible por transmisión y ventilación/infiltraciones resulta: Como único dato nuevo: Grados día 25 menos Temperatura seca exterior cuando está es inferior a 25ºC, en ºC, El enfriamiento nocturno se modela como unas renovaciones de hora durante las horas de noche . En refrigeración, se requiere obtener las pérdidas netas o útiles. Para ello se necesita obtener un valor para el factor de utilización de refrigeración. Puesto que la formulación teórica y la estimada no dependen, bajo las simplificaciones realizadas, de la estación en la que se encuentre, se admite la constante de tiempo como única y aceptada para ambos regímenes. 51 Figura 20. Factor de utilización para el régimen de refrigeración Siguiendo la misma referencia, la formulación del factor de utilización se hace en tres tramos en la norma [4], en función de cociente entre ganancias y pérdidas netas para el periodo de refrigeración tomado, resultando: Si y  Si  Si  Sobre el factor de utilización para corregir el valor de las pérdidas brutas no se han encontrado referencias significativas. Aunque, solventado el problema de la constante de tiempo, las herramientas quedarían definidas de forma análoga a la formulación para calefacción. El problema es que esta formulación no tiene en cuenta el efecto de la activación ni la eficiencia de carga/descarga de la inercia térmica del edificio. En este proyecto se persigue analizar en mayor detalle su efecto mediante el cálculo de coeficientes de transferencia convectiva asociados a los elementos de interés. De ahí que esta formulación simplificada no sea suficiente. La ventilación nocturna modelada en la herramienta detallada tiene tres decisiones: - Duración del periodo de operación en tiempo durante la noche y en meses (estación de refrigeración) - Cálculo de patrones de flujo en el interior del edificio - Cálculo de coeficientes de transferencia convectivo asociados En la aplicación 4 se explica sobre un caso estudio la aplicación de la metodología. 2.3 ETAPA 3: ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA Teniendo en cuenta las mejoras que ocasiona la implantación de medidas para la mejora nocturna energética, a continuación se muestra el ahorro generado en tal implantación. Para empezar, se calculan los costes que intervienen. - Costes iniciales - Costes de operación - Costes totales El ahorro se basa en el cálculo de parámetros influenciados por conceptos técnicos (costes anteriores). El coste inicial consiste en evaluar el coste del sistema a partir del coste de los equipos principales en la instalación, es decir, a partir de nombas, depósitos. Los costes de operación son los costes derivados de todos los consumos: de energía, de servicios, de materias primas, que necesite el proceso anualmente, expresado en unidades monetarias. El coste total es la suma del coste inicial de la instalación, y el coste de operación durante el ciclo de vida. Dos parámetros se utilizan para la comparación de las alternativas de diseño de aplicaciones, ambos se calculan a partir del denominado Valor Presente Neto (VPN) de una inversión, calculado como: Seria mejor opción aquella con mayor VPN. 2.3.1 Plazo de recuperación del Capital Es el número de años que hace que el VPN sea nulo. Es el plazo de tiempo necesario para recuperar la inversión inicial, es decir, cuanto más corto mejor. Siendo N el número de años que se tarda en recuperar la inversión, e i el tipo de interés. 2.3.2 Tasa interna de Rentabilidad (TIR) Es el tipo de interés que tendría que tener el dinero para que el VPN fuese nulo. Cuanto mayor sea, mejor, mas rentable es la inversión realizada. 2.3.3 Ahorro obtenido Teniendo en cuenta el consumo eléctrico, los costes de instalación, los costes de operación y los costes de mantenimiento de la instalación, el ahorro se calcula como: El ahorro generado sería función de kWh, pero fácilmente, conociendo el precio en Euros por kW, obtenemos el ahorro conseguido en Euros. A tener en cuenta, el procedimiento permite obtener el ahorro con los años. Ya que el ahorro en nuestra aplicación depende del clima, debemos suponer un panorama climático para hacer la simulación en N años. Otra opción es suponer que el clima se repite, es decir, suponer el climo de los N años anteriores. 53 3 A continuación, se muestran las aplicaciones necesarias para la caracterización de la ventilación nocturna en edificios. 3.1 APLICACIÓN 1: DEFINICIÓN DE CONDICIONES DE CONTORNO 3.1.1 Descripción La presente aplicación sirve como ejemplo de la aplicación del procedimiento descrito en el trabajo fin de grado para la caracterización aerodinámica de la envuelta de edificios. El objetivo de la aplicación es el cálculo del coeficiente de presiones en la envuelta de un faro. Para ello, este edificio es modelado en el interior de un túnel de viento. Los objetivos secundarios conseguidos son: - Consolidar el procedimiento CFD de caracterización aerodinámica mediante la definición de un túnel de viento - Resolver las dudas e incertidumbres ligadas a la malla y los modelos a emplear - Demostrar la validez del procedimiento, discutiendo diferentes alternativas y comparándolo con resultados analíticos. En una primera etapa se construye una geometría de un faro típico. De este edificio interesa el flujo de aire alrededor de su columna. En la segunda etapa se malla el faro siguiendo las directrices del procedimiento, pero analizando la influencia de la capa límite y del refinado de malla. Esta segunda etapa es importante de cara a las conclusiones adoptables para la simulación de recintos de mayor entidad, por ejemplo barrios. Finalmente, en el documento se presenta la síntesis de decisiones adoptadas en Fluent. 3.1.2 Geometría El diseño inicial del Faro se ha realizado siguiendo la geometría y dimensiones de distintos modelos de faros reales que se muestran en la Figura 21. Figura 21. De izquierda a derecha: Faro de Cabo Hatteras, Faro de Pensacola, Faro Split Point. En la Figura 22 se observa el diseño inicial del Faro. En las Figura 23, Figura 24 y Figura 25 se muestran en detalle la base, la parte superior, y la planta superior e inferior del Faro respectivamente. Figura 22. Diseño inicial del Faro Figura 23. Base del faro Figura 24. Parte superior del faro Figura 25. Planta superior e inferior del faro Para la creación del túnel de viento se diseña un prisma rectangular sólido con la geometría del Faro centrado en el interior partiendo de su base. Mediante una operación “booleana” se extrae un cuerpo sólido dentro de otro cuerpo sólido, es decir, extrae el Faro de la geometría del túnel de viento. Las dimensiones del túnel de viento son: - Anchura: 60 m. - Altura: 54 m. - Profundidad: 100 m. Figura 26. Modelo inicial del túnel de viento Cabe comentar que aunque la geometría del túnel de viento es pequeña, se ha conseguido aprender a manipular las condiciones de contorno para poder desarrollar el flujo de entrada antes de su incidencia con el faro y también a variar la dirección del mismo. Es por ello que no se necesita una geometría mayor. 3.1.3 Malla Tras la creación de superficies y seleccionado el tamaño de malla global, así como el refinado de la malla de la columna que ya se ha explicado en el modelo sin capa límite, se procede a la creación de las capas de refinado en la superficie de la columna del Faro mediante el módulo ICEM de ANSYS 14.0 para el posterior estudio del comportamiento del fluido en la capa límite. En primer lugar, se selecciona en el “Part Mesh Setup” que la malla en la superficie de la columna la conformen prismas. Figura 27. Capas de prismas alrededor de lFaro Figura 28. Detalle de las 20 capas de prismas alrededor de la superficie de la columna del Faro. Además de definir la malla hay que definir los planos de medición, la Figura 29 muestra las características de estos planos. Figura 29. Planos de medición Hay que destacar las siguientes ideas: 1. La malla básica ha sido generada a base de prueba de error, es decir, se ha elegido un tamaño nominal de tetraedros que se ha ido refinando hasta alcanzar una estabilización de resultados. Una vez estabilizados se ha fijado este tamaño como nominal. Los resultados observados son el tamaño y magnitud de la estela. 2. Se ha refinado la malla en los elementos superficiales del faro analizando la variación de la estela y del perfil de velocidades. Una vez estabilizado estos resultados se ha fijado este refinado como el refinado idóneo. 3. Para la capa límite se han tomado las decisiones del capítulo dos sobre la malla refinada anterior. Estas tres ideas dan lugar a la siguiente nomenclatura: XY-Z, - X: es un valor numérico que indica el detalle de la malla volumétrica, donde 1 es el valor de partida y 4 es un valor 4 veces inferior - Y: es un valor alfabético. A indica que el modelo turbulento en K-Epsilon Realizable, B K-Epsilon Realizable, y M indica que es un caso tipo A pero además la malla superficial ha sido refinada. - Z: toma el valor CL si se ha definido una capa límite en el faro. 3.1.4 Resultados 3.1.4.1 Definición de casos Los parámetros y consideraciones básicas que se han tenido en cuenta en la simulación tipo 1M-CL (caso de referencia) vienen recogidos en la Tabla 5. Modelo de energía Ecuación de la energía Modelo de turbulencia k-epsilon Realizable (Enhanced Wall Treatment) Fluido Aire Condiciones de contorno de las superficies Faro Wall (Pared) Túnel Entrada Velocidad de entrada: 2 m/s Temperatura constante: 300 K Salida Pressure Outlet (Presión de salida) Presión atmosférica Lateral izquierdo Symmetry (Pared) Lateral derecho Symmetry (Pared) Techo Symmetry (Pared) Suelo Wall (Pared) Método de solución (discretización espacial) Green-Gauss basado en nodos Método de inicialización Híbrida Número de iteraciones 500 Tabla 5. Parámetros de la simulación 1M-CL En esta simulación se considera que la turbulencia sigue un modelo k-épsilon realizable con mejora del comportamiento en pared (Enhanced Wall Treatment), ya que se recomienda en problemas con flujos de fase única como es este caso. El modelo képsilon realizable presenta diferencias frente al modelo Standard, a pesar de compartir la misma ecuación de energía cinética de turbulencia. El modelo k-épsilon realizable ofrece ventajas frente al modelo k-épsilon Standard: - Mejora la ecuación de épsilon. - La variable Cµ relativa a la viscosidad turbulenta ya no es constante. En el modelo realizable, esta variable es función de las tasas de esfuerzos y rotaciones promedios de la velocidad angular de la rotación del sistema, y de los campos de turbulencia. - Mejora los resultados obtenidos en flujos que involucra: o Chorros planos o circulares (predice la difusión del chorro correctamente). o Capas límite bajo fuertes gradientes de presión negativa o la separación. o Rotación, recirculación. o Curvaturas de líneas de corriente pronunciadas. Tal y como se ha dicho, el resto de casos comparten las puntualizaciones anteriores salvo en la tipología del modelo de turbulento y en el refinado de la malla. Se ha optado por un número de iteraciones de 500 que permite la convergencia de la solución durante el cálculo (Figura 30). 57 Figura 30. Convergencia de la solución para 500 iteraciones de la Simulación 1B 3.1.4.2 Influencia capa límite Para analizar el efecto de la capa límite se ha generado una malla refinada y con capa límite a partir del caso nominal (1M-CL), y otro caso con el mismo número de nodos que el anterior pero sin capa límite (2M). Se ha optado por presentar estos resultados, aunque se han hecho todas las combinaciones de simulaciones, ya que la idea es demostrar el efecto de colocar bien los nodos, en este caso definiendo la capa límite Figura 31. Gráfica de la evolución de la velocidad de la simulación Figura 32. Detalle del desprendimiento de la capa límite y comportamiento del fluido. La gráfica anterior muestra el campo de velocidades en el plano medio del faro, y además la evolución del módulo en la línea media que aparece representada. Se puede ver cómo existe bastante coincidencia del módulo hasta la zona cercana a la superficie (zona izquierda). Esta zona es importante para caracterizar el efecto de la presión total en el cuerpo. Figura 33. Evolución de las velocidades y del fluido en la estela turbulenta en el plano vertical. 3.1.4.3 Valición con modelo analítico de referencia. De la literatura se sabe que el flujo ideal (no viscoso, incompresible e irrotacional) alrededor de un cilindro se representa mediante potencial complejo, Ecuación (1). realizado, puesto que se necesitaría una longitud de tubo larga con el fluido todavía transfiriendo calor. Pero, dado que el flujo alcanza la temperatura de la pared, es difícil encontrar el valor de Nu = 3.66 que predice la teoría para L>>D. Existen también correlaciones para el caso en el que tanto la capa limite hidráulica como la térmica se desarrollan simultáneamente pero no se ha elegido esa opción porque complicaría notablemente el problema. De acuerdo con estas premisas, se toma la geometría, se malla y se elabora un modelo de Fluent. Se compara con la correlación 25 para el caso de flujos laminares y con la correlación 27 para casos turbulentos, para así corroborar la estrategia de mallado. 3.2.2 Modelización 3.2.2.1 Geometría Se resuelven dos geometrías diferentes: un conducto circular y un conducto formado por dos placas paralelas infinitamente anchas. 3.2.2.2 Malla La malla es uno de los elementos principales en los que se apoya el motor de cálculo de FLUENT, por lo que un buen mallado es necesario para obtener buenos resultados. Tras varias pruebas, se propone como malla de partida una malla plana de celdilla unidad rectangular. De este modo, el problema se resuelve asumiendo que se trata de un problema axil simétrico. Figura 45: Esquema de la malla Esta malla es factible para un modelo 2D, pero debe ser optimizada para resolver casos tridimensionales, no obstante, esboza la idea en la que se debe basar el nuevo mallado. La validación de esta malla se lleva a cabo tanto de forma visual como de forma numérica. Se realizan diferentes simulaciones obteniéndose muy buenos resultados cuando se analiza el régimen laminar, lo que, junto con la visualización de la solución, nos incita a pensar que la malla es suficientemente fina como para aceptarla como válida. Figura 46. Transición a la turbulencia en régimen turbulento En régimen turbulento se representa la intensidad de turbulencia observándose el punto de separación de la 65 capa limite, la subcapa laminar y la turbulenta. 3.2.3 Resultados CFD 3.2.3.1 Aspectos generals En este apartado se detallan los aspectos generales asociados a los modelos resueltos, esto es, el número de Reynolds y el Número de Nusselt particularizado para las dos geometrías impuestas. A la par se define la región de entrada. Básicamente se pueden distinguir dos tipos de regiones de entrada cuyas dimensiones son diferentes según la geometría del conducto y según se trabaje en régimen laminar o turbulento. Estas dos regiones son: - Entrada hidrodinámica: se trata de la longitud que requiere el fluido para que se desarrolle su perfil de velocidades. o En caso laminar, para conducto circular: aproximadamente 0.05 Re D. o En caso turbulento, la solución no es tan clara pero existen formulas que permiten estimarla con cierta calidad aunque un estudio preciso requiere inspección visual. - Entrada térmica: se trata de la longitud que necesita el fluido para alcanzar la temperatura de la pared cuando ésta queda impuesta como condición de contorno. o En caso laminar, conducto circular,: aproximadamente 0.05·Re·D·Pr. o En caso turbulento, debe estudiarse por inspección. 3.2.3.2 Conducto circular Los números adimensionales necesarios para el estudio que se persigue son: Número de Reynolds: ReD: número de Reynolds, evaluado como: Donde: ρ: densidad del fluido en las condiciones de trabajo. U: velocidad del fluido calculada como el caudal circulante entre el área de paso. Debe corresponder con el valor introducido a FLUENT. D: diámetro del conducto μ: viscosidad del fluido Número de Nusselt: Nu: número de Nusselt del que se calcula un coeficiente de película h. D: diámetro del conducto K: conductividad del fluido. (No confundir con la conductividad del tubo) h: es el coeficiente global de transferencia de calor que debe ser entendido como sigue: Donde: G: flujo másico hmm x: entalpía medida de masa en la sección x hmm 0: entalpía media de masa en la sección dónde comienza a transferirse calor. (Mejor tomar lectura un poco antes puesto que al no transferirse calor, el valor de la entalpia es el mismo) Tmm x: temperatura media de masa en la sección x Tmm 0: temperatura media de masa en el punto donde comienza a transferirse calor. Tpared: temperatura de la pared. A: área de intercambio de calor. Figura 47. Esquema conducto circular Región de entrada: En este apartado se propone una expresión con la que la longitud de la región de entrada puede ser estimada. Puesto que se trata de una estimación, esta expresión arroja como resultado un intervalo dentro del cual se debe alcanzra la adaptación del flujo. A modo ilustrativo, se realiza una inspección visual y se compara el resultado con esta fórmula para la estimación de la longitud de entrada en un conducto circular flujo interno con un Reynolds de 6.3·104 . Figura 48: perfiles de velocidades Re 63e+4 De esta inspección visual se puede intuir que la región de entrada hidrodinámica mide aproximadamente 10 metros. A la vez, para comparar con la expresión descrita en al comienzo, se evalúa esta fórmula obteniéndose que la longitud de entrada debe encontrarse en el intervalo 9.88m <Le< 15m. Como se puede ver, se cumple este criterio y el rango está bastante acotado con una exactitud razonable. Propiedades: Para el problema resuelto se han impuesto: 67 Pr: Prandt del fluido: 0.7296 Densidad: 1.18Kg/m3 Viscosidad: 1.18 · 10 -5 Capacidad calorífica (Cp): 1007 J/KgK Conductividad térmica: 0.02551 W/mK Datos obtenidos de FLUENT y comparación con la correlación. De acuerdo con la estrategia planteada, se lanzan dos casos laminares, uno con un Re de 315 y otro con un Re de 947. NOTA: todas estas propiedades son dependientes de la temperatura, y dado que es necesario resolver el problema térmico para comparar resultados, lo mejor es imponer propiedades constantes con la temperatura. 3.2.3.3 Placas planas De forma análoga al procedimiento empleado para el conducto circular, se dispone un conducto formado por dos placas paralelas divididas en dos regiones: una primera región en la que el flujo se desarrolla hidrodinámicamente y otra en la que se transfiere calor. Figura 49. Esquema placa plana. Los parámetros empleados son idénticos aunque deben particularizarse para la geometría desarrollada. Número de Reynods: ReD: número de Reynolds, evaluado como: Donde: ρ: densidad del fluido en las condiciones de trabajo. U: velocidad del fluido calculada como el caudal circulante entre el área de paso. Debe corresponder con el valor introducido a FLUENT. e: ancho del conducto μ: viscosidad del fluido Número de Nusselt: Nu: número de Nusselt del que se calcula un coeficiente de película h. Donde: e: ancho del conducto K: conductividad del fluido. (No confundir con la conductividad del tubo) h: es el coeficiente global de transferencia de calor 3.2.3.4 Caso 1: Conducto circular flujo laminar En este apartado se resuelve un conducto circular en régimen laminar con FLUENT. Para realizar la comparación de resultados, se usará como modelo de referencia los resultados de la correlación 25 de las tablas de la asignatura de “Transmisión de Calor”, las cuales podemos encontrar en el ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. La ecuación que rige el modelo de referencia elegido es la siguiente: Se obtiene un Nusselt medio entre el punto de comienzo de la transferencia de calor y el punto en el que se quiere evaluar el Nusselt. Parte de la hipótesis es que el flujo está hidrodinámicamente desarrollado, es decir, cuando se comienza a transferir calor existe un perfil de velocidades de Haggen Poiseuille. Asumen que la temperatura de la pared es constante. Se resuelve para dos números de Reynolds diferentes cuyos valores son: 947 y 315 para una velocidad de entrada de 0.2m/s y 0.1m/s respectivamente. 3.2.3.4.1 Resultados A continuación se muestran los resultados obtenidos de las simulaciones. Figura 50: Nusselt frente a la posición En el gráfico se observa una clara tendencia del número de Nusselt a alcanzar una asíntota horizontal. Se observa que tan solo se representan valores de Nusselt a partir de x=150m porque para valores inferiores el conducto está aislado. A continuación se comparan con los valores de la correlación: Re x Nu Fluent Nu correlación 315 160.1 4.302 4.271 315 169.1 4.112 4.003 947 160.1 5.175 5.216 947 169.1 4.498 4.575 Tabla 6. Comparación Nu Caso 1 69 3.2.3.5 Caso 2: Conducto circular flujo turbulento En este apartado se resuelve un conducto circular en régimen turbulento, como modelo de referencia se usa la correlación 27 de las tablas comentadas con anterioridad. La ecuación que rige el modelo de referencia elegido es la siguiente: Se obtiene el número de Nusselt para flujo turbulento completamente desarrollado con un número de Reynolds mayor de 10000 y un Prandt entre 0.6 y 160. Bajo estas hipótesis, y asumiendo de nuevo propiedades constantes con la temperatura e iguales a las impuestas en el caso laminar, se lanza un nuevo caso de FLUENT con un modelo turbulento. 3.2.3.5.1 Resultados En este caso, dada las dificultades encontradas, no ha sido posible realizar un estudio de Nu frente a x aunque si se muestra una tabla donde se compara el valor de Nu leído en FLUENT con el valor calculado a través de la correlación. Re x Nu Fluent Nu correlación 105 169.1 194.70 199.41 94400 169.1 182.19 190.40 62933 169.1 134.56 137.68 Tabla 7. Comparación Nu Caso 2 Para la extracción de estos resultados se han realizado diferentes simulaciones y aunque muchas arrojan valores muy alejados de las correlaciones, se ha profundizado en que la solución podría venir de utilizar una función de pared que focalice en los efectos térmicos. De este modo, se ha realizado una simulación en la que en primer lugar se ha resuelto el problema utilizando un modelo K-ε cuya solución mejora en un segundo paso activando estas funciones de pared (Wall function). Tras realizar varias simulaciones, se observa que para la solución del problema expuesto resulta necesario por tanto, resolver inicialmente el problema sin activar las Wall functions y luego hacer uso de las funciones de pared de FLUENT. 3.2.3.6 Caso 3: Placas paralelas flujo laminar En este apartado se realiza un cálculo análogo al presentado para el conducto circular. Para ello, se toma un conducto formado por dos placas paralelas y empleando una malla similar a la empleada para el conducto circular. Se impone de nuevo una región adiabática suficientemente larga como para que el flujo se desarrolle y otra de transferencia de calor dónde se calculan los números de Nusselt medio para diferentes secciones. En el caso de flujo laminar existe, además de solución analítica para el problema de placas paralelas tanto a temperatura constante como a flujo de calor constante, gran cantidad de publicaciones en la literatura. Para el caso en régimen laminar y considerando la región totalmente desarrollada hidrodinámica y térmicamente, el problema puede resolverse de manera analítica. Se tiene que, en el caso del problema de tuberías, el número de Nusselt es una constante independiente del Pr, del ReD y de la posición en el eje y [15, p. 440]. En este caso la temperatura de referencia que se emplea en la ley de enfriamiento de Newton viene dada por Tm, que representa en cada sección del canal la temperatura media que debe tener el fluido para transportar la misma cantidad de energía térmica por esa sección. Esta temperatura media varía en la dirección del flujo. Para el caso de la geometría de placas paralelas isotermas y dependiendo de la relación de aspecto b/L se tiene, de manera análoga al caso de tuberías, un número de Nusselt constante [15, p. 450] Tabla 8. Relación b/L con Un 3.2.3.6.1 Resultados En este apartado se muestran los resultados obtenidos del estudio realizado sobre placas planas paralelas. Re x Nu Fluent Nu correlación 1973 0-4m 11.09 7.54 1973 70-120m 7.84 7.54 986 0-4m 9.78 7.54 986 70-120m 7.25 7.54 Tabla 9. Comparación Nu Caso 3 Se observa que, cuando tomamos una media focalizando solo en la región de entrada, los valores de Nu son más elevados que la solución teórica para flujo completamente desarrollado. Pero cuando se toman medias en regiones algo más alejadas, los valores tienden a ser similares. 3.2.3.7 Caso 4: Placas paralelas flujo turbulento En este apartado se muestran los resultados obtenidos para un Reynolds de 6,3e+4 para el caso de dos placas planas infinitas y paralelas. Los resultados se muestran en la siguente tabla: Re x Nu Fluent Nu correlación de Petucov Nu correlacion de Kays & Crawford 75500 150m-169.1m 161 138 143 Tabla 10. Comparación Nu Caso 4 3.2.4 Conclusiones Los escollos superados son: - Conocimiento de la capa límite: modelización y mallado - Cálculo de coeficiente de transferencia convectiva como valor representativo de una superficie. - Análisis de la región de entrada y. 71 3.3 APLICACIÓN 3: CARACTERIZACIÓN DE PATRONES DE FLUJO 3.3.1 Descripción Esta aplicación tiene como objetivo demostrar qué metodología es válida para la caracterización de patrones de flujo. Esta caracterización permitirá conocer cómo se mueve el aire en el interior de locales, con una entrada o salida forzada, bien por medio natural, mecánico o híbrido. Para ello se ha elegido el estudio de un salón de un piso de VPO de Málaga. Sobre este edificio se realiza una batería de casos con diferentes configuraciones de huecos de entrada para obtener la disposición de estos que hagan que la ventilación del recinto sea máxima. La motivación de la realización de dicho estudio se basa en la validación de esta variante del protocolo hacia el campo de los análisis semi-cuantitativos, en la que los valores arrojados tendrán valor a nivel comparativo entre los mismos (tanto mayor/menor que la referencia). Figura 51. Imagen exterior del edificio bajo reforma Figura 52. Imagen de la fachada Este del edificio de las viviendas estudiadas. A su vez, el caso planteado forma parte de un proyecto de reforma de un conjunto de viviendas de protección oficial pertenecientes al Ayuntamiento de Málaga. Este proyecto (Proyecto RS), se lleva a cabo conjuntamente con el Ayuntamiento de Málaga y la constructora FCC. El edificio se encuentra situado en la Av. Jacinto Benavente y consta de 140 viviendas, las cuales muestran varias configuraciones y orientaciones. No obstante, se estudiará la vivienda de Tipo A, ya que es la es más numerosa. 3.3.2 Efecto del viento-condiciones de contorno Se necesitan condiciones de contorno en presión. En la primera aplicación se han obtenido estas condiciones de contorno a partir de un túnel de viento, pero en esta, por tener una geometría exterior bastante irregular y desconocida, se ha obtado por la opción aproximada. La opción aproximada implica el siguiente proceso: 1.- Determinación de orientación del edificio. 2.- Determinación de la dirección e intensidad del viento Característica (Rosa de vientos). 3.- Cálculo del coeficiente de presión en forma vectorial aplicado a cada hueco. Estas condiciones de contorno pueden ser en componentes x,y,z calculadas a partir de la velocidad en cada dirección, o bien un valor de la presión y unas dirección de entrada/salida fijada en las aberturas. En el caso a estudio se acuerda la opción primera por ser más sencilla, ya que proyecta la velocidad del viento en la componente normal y tangente de la abertura. Para determinar la condición de presión que genera el viento sobre los huecos de la fachada se debe utilizar la siguiente definición: Donde Cp representa el coeficiente de presión en función de la dirección de incidencia del vector viento respecto a la fachada. Así, bajo la descomposición de dicha dirección relativa en un sistema de coordenadas contenido en un plano normal a la fachada, se deben realizar las siguientes distinciones. Cp Barlovento “0.3”. La componente de barlovento está referida al efecto del viento en la dirección normal a la superficie. Cp tangente “0.1”. Este Cp es utilizado en la componente del viento tangencial a la superficie. Como se puede apreciar el valor de Cp es menor que en barlovento ya que la presión generada por este efecto en el hueco de la fachada es menor. Cp Sotavento. Este efecto está relacionado con la succión producida en la cara opuesta a la fachada en la que incide el viento y tendría por ello un valor negativo. No obstante, en este caso en particular dicha cara opuesta se encuentra resguardada, por lo que se supone una presión ambiente sin efecto de vientos. Para la velocidad del viento se analiza la rosa de vientos del lugar. Hay que coger la velocidad en cada una de las direcciones (normal y tangente) referidas a cada abertura. La siguiente figura muestra para una serie de aberturas limitadas por líneas verticales sobra la horizontal, las componentes de la velocidad del viento que se necesitan en modulo: velocidad normal y tangente (modulo y dirección) de las velocidades anuales más probables en cada orientación. Figura 53. Componentes de la velocidad del viento Para ello se coge las velocidades de viento promedio anual de manera aproximada a partir de la rosa de vientos. Figura 54. Orientación eólica dominante Málaga [16] En el edificio el viento predominante tiene dirección NO y SE, por lo que habría que establecer las condiciones de contorno variables en función del caso a estudio. No obstante, en el edificio no existen entradas situadas en SE, por lo que la única dirección a estudio es la NO. Para esta dirección, se puede tomar 4 m/s la velocidad promedio, ya que la franja verde es la dominante. Por tanto, modulo del viento 4 m/s en dirección NO. 73 Figura 55. Plano de la vivienda con las separaciones realizadas y la señalización de los huecos Este módulo de velocidad 4 m/s con un ángulo de 45º con respecto a la horizontal, se descompone en normal y tangente para cuantificar la presión positiva que ponemos en la inlet. Se toman las ventanas abiertas, y las puertas correderas sólo una de las hojas abiertas. Además la succión en el pasillo puede ser mayorada si se tiene en cuenta que está en una zona SE con viento predominante en el lugar. En FLUENT quedaría: Figura 56. Capturas de la implementación en FLUENT Se introduce el módulo de la presión en la ventana, y se imponen unas direcciones se succión. Bien en cartesinas, o simplemente se elige la opción nomal y tangencial. La figura da una idea del trabajo realizado en cada entrada Los resultados finales de los cálculos para cada hueco resultan: En base a una buena ventilación de la vivienda, en principio quedarían descartados los casos en los que solo están las ventanas abiertas, ya que se aprecia un menor volumen efectivo de barrido. En los cuatro casos restantes las características son semejantes y ninguno es el claro vencedor. Sin embargo, con vistas a un futuro puesto en la tecnología del night-cooling (enfriamiento de los muros), se seleccionarán las configuraciones en las que las velocidades en las zonas cercanas a los muros interiores sean mayores en media. Nuestros casos son por lo tanto el B y el F. Para saber si existe una sustancial diferencia entre ambas configuraciones es necesario un estudio más profundo, pero a priori, se cree que tendrán comportamientos similares. 3.3.4.2 Zona 2 Figura 72. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 1 Figura 73. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 2 Figura 74. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 3 Figura 75. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 5 Figura 76. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 4 Figura 77. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso 6 En este caso, como se esperaba, ocurre algo similar ya que las renovaciones del aire encerrado, crecerán a medida que también crezca la sección de los huecos de entrada. 81 Dormitorio kg/s Ren/h caso 1 1.578 87.201 caso 2 0.747 41.279 caso 3 1.167 64.562 caso 4 0.759 41.943 caso 5 1.179 65.152 caso 6 1.177 65.042 Vol: 53.18 m3 Tabla 16. Cantidad de aire evacuado/introducido en el recinto Además, se presenta a continuación un caso extra en el que se supone la inclusión de una ventana en el Dormitorio 1. El objeto de dicha modificación será el de tratar de aumentar de manera notable el nivel de ventilación. Figura 78. Líneas de flujo generadas para la configuración de huecos en el caso extra Dormitorio kg/s Ren/h Caso extra 1.647 kg/s 91.025 Ren/h Tabla 17. Cantidad de aire evacuado/introducido en el recinto 3.3.5 Conclusiones Ya que se han realizado los estudios de las diferentes configuraciones de huecos posibles por separado, también las decisiones se tomarán acordes a esta fragmentación. En primer lugar, dada la característica vectorial del viento de componente Sur-Este, este incide de igual manera en los huecos Sur y Este de la fachada. Esto provoca que tanto más aumente la superficie de huecos de entrada, mayor serán los niveles de ventilación hasta un cierto punto. Es por tanto que en la Zona 1, todos los casos estudiados implican el mismo nivel de ventilación. Además, los casos 8 y 11 realizan un mejor barrido sin producir recirculaciones. Sin embargo, estas no llegan a ser razones de peso para la toma de decisiones, por lo que se propone la consideración de la técnica Night-Cooling, y procurando para ello que la configuración elegida proyecte los chorros de aire contra las zonas de mayor densidad másica. Además, podría estudiarse la posibilidad de sustituir las ventanas por unas de hojas abatibles, de tal forma que el tamaño de hueco aumente y por tanto también la ventilación de la habitación. En cuanto a la Zona 2, se aprecia que conforme el hueco de entrada es mayor, también es más alto el nivel de ventilación. Es por ello que de los casos inicialmente planteados, el “caso 1”, con las dos puertas abiertas resulta el más interesante, debido a que es el que mayor nivel de ventilación tiene, además de ser la configuración existente en la vivienda. Se puede observar a su vez, que tras la consideración de dicho caso, más la inclusión de una ventana, el nivel de ventilación por la acción del viento ya está saturando el recinto por lo que la adición de dicho elemento no supone un crecimiento notable en las renovaciones del aire interior. Así, se desestima la implementación de este hueco. 3.4 APLICACIÓN 4: EVALUACIÓN DE AHORROS 3.4.1 Descripción La inercia térmica es un concepto clave en las técnicas bioclimáticas ya que la capacidad de acumulación térmica de las soluciones que conforman un elemento arquitectónico es básica para conseguir el adecuado nivel de confort. Esta medida de mejora conlleva dos fenómenos, uno de ellos es el de la amortiguación en la variación de las temperaturas, es decir, existe mas variación de temperaturas exterior interior en nuestro edificio que en uno construido con cerramientos tradicionales. El segundo fenómeno es el retardo de la temperatura interior respecto a la exterior, es decir, el calor ganado durante las horas de incidencia solar se cede al espacio interior varas horas después. Con estas soluciones de hormigón armado en las paredes podemos aprovechar el calor ganado durante las horas de sol; en periodos de invierno podemos aprovechar esto para calentar el edificio durante las horas de noche de forma gratuita. Para implementar esta filosofía en el presente edificio, se modifican las soluciones constructivas par los cerramientos sustituyendo los cerramientos tradicionales por cerramientos de hormigón armado en paneles prefabricados, obteniendo los beneficios antes reflejados por las propiedades intrínsecas de este material. A medida que el flujo de aire exterior aumenta durante la noche, cae la temperatura interior y al mismo tiempo las velocidades típicas de paso aumentan lo que se refleja en un mayor enfriamiento del muro. Si esto se da sobre elementos con poca inercia, rápidamente se alcanza el equilibrio y cesa la transferencia pero si se acentúa en puntos con elevada inercia térmica, estos elementos contribuyen a almacenar energía y amortiguar los efectos térmicos exteriores y así reducir la demanda energética. Figura 79. Incremento de la inercia en la envuelta del edificio mediante cerramientos de hormigón La irregularidad temporal de la demanda de energía está fuertemente influenciada por las condiciones meteorológicas externas pero puede ser compensada en parte, no solo a través del uso de elementos constructivos con fuerte inercia térmica sino también con el uso de soluciones técnicas que, en la estación estival, favorezca la evacuación de calor de estos elementos y en épocas invernales apuesten por el calentamiento de los mismos. Las variaciones térmicas exteriores son, en ocasiones, fuertemente variables, pudiéndose encontrar variaciones de 14ºC en Sevilla, 12ºC en Madrid o 11ºC en Barcelona. Por ello, el uso de elementos másicos con gran capacidad de absorber calor resulta un buen sistema para amortiguar estas variaciones (como los muros de hormigón del edificio) si se combina con una estrategia de refrigeración apropiada. Por ello surge el concepto de Night cooling en el que se intenta favorecer el enfriamiento de los elementos con mayor inercia, elementos que requieren un periodo de tiempo relativamente largo para enfriarse (la noche) para que de este modo su temperatura durante las horas de sol sea lo más baja posible. 83 Para implementar esta filosofía en el presente edificio, se sustituye la ventilación natural por ventilación forzada por medios mecánicos (extractores en los baños) durante las horas nocturnas para así refrigerar lo antes posible los cerramientos con masa térmica capaces de acumular el frio hasta el día siguiente. Potencia Caudal Máximo Peso Dimensiones máximas Precio aproximado Marca Modelo kW m3/h db kg mm CASALS BD 25/25 M6 1/5 3V 0.15 2600 57 18 407 X 376 X 350 260 € Tabla 18. Ejemplo Ventilador para 25 ren/h en salón y 4 ren/h en dormitorios A medida que el flujo de aire exterior aumenta durante la noche, cae la temperatura interior y al mismo tiempo las velocidades típicas de paso aumentan lo que se refleja en un mayor enfriamiento del muro. Si esto se da sobre elementos con poca inercia (cerramientos tradicionales), rápidamente cesa la transferencia pero si se acentúa en puntos con elevada inercia térmica como son los cerramientos de hormigón ejecutados, estos elementos contribuyen a almacenar energía y amortiguar los efectos térmicos exteriores, reduciendo la demanda energética y mejorando el confort interior de las viviendas. En la siguiente figura se muestra la simulación por ordenador, donde se observa esta estrategia de ventilación, el movimiento de aire y sus velocidades, cuidando siempre los umbrales de disconfort para las zonas ocupadas. Figura 80. Simulación ventilación En la simulación por ordenador se observa esta estrategia de ventilación, el movimiento de aire y sus velocidades, cuidando siempre los umbrales de disconfort para las zonas ocupadas. 3.4.2 Cálculo de h mediante CFD El estudio de la ventilación nocturna tiene especial interés cuando se introducen elementos masivos de alta inercia térmica ya que un uso eficiente de la misma, cuando esta se activa adecuadamente a través de la ventilación nocturna, puede incurrir en un importante ahorro energético en el edificio. La idea que persigue la ventilación nocturna es acentuar la refrigeración de estos elementos masivos durante las horas en que las temperaturas exteriores son menores durante la noche. De este modo, dado que la inercia de estos elementos hormigonados es relativamente elevada, toda la capacidad frigorífica que haya sido almacenada durante estas horas, será de utilidad durante las horas centrales del día puesto que igualmente muestra una cierta lentitud a la hora de calentarse. El hecho de poner el énfasis en el coeficiente de película nocturno se ve respaldado en la medida en que una mayor rapidez en la extracción de energía durante la etapa de refrigeración, incurrirá en una menor temperatura “punta” en las horas centrales del día donde la demanda de refrigeración podría ser máxima a igualdad de parámetros medioambientales. Por ello, para el cálculo de los coeficientes de película ocasionados por el incremento de la ventilación, se elabora un modelo numérico mediante la herramienta informática FLUENT donde, a través de elementos finitos, se resuelve el movimiento del aire en el recinto así como la capa límite que se desarrolla sobre las paredes. Para ello, con objeto de incrementar al máximo el valor de este coeficiente, se incrementan al máximo las renovaciones hora del sistema sin obtener valores de velocidades excesivos que puedan ocasionar disconfort. Con estos valores, posteriormente se resuelve un problema cuasi-estacionario en el que, suponiendo que el aire transfiere de forma estacionaria se observa la evolución de la temperatura de la sala en el caso de usar hormigón y de usar un cerramiento tradicional. Para ello se sigue el siguiente esquema: Figura 81. Mallado del recinto a estudiar, salón Figura 82. Se imponen las condiciones de contorno Resuelto el problema fluido mecánico se obtienen los siguientes resultados sobre los coeficientes de película: Tpared (K) Tinterior (K) Q emitido (W) Area de transferencia (m2) H (W/m2K) Zona 300 293.2 260.7 8.194 4.6 Pared1 300 293.2 75.7 4.450 2.5 Pared10 300 293.2 83.4 5.204 2.3 Pared11 300 293.2 219.6 8.438 3.8 Pared2 300 293.2 262.6 7.867 4.9 Pared3 300 293.2 60.5 4.455 1.9 Pared4 300 293.2 82.5 6.984 1.7 Pared5 300 293.2 142.3 6.840 3.0 Pared6 300 293.2 45.6 1.505 4.4 Pared7 85 300 293.2 109.1 6.510 2.4 Pared8 300 293.2 72.5 4.199 2.5 Pared9 300 293.2 329.1 22.111 2.2 suelo 300 293.2 329.9 22.111 2.2 techo Tabla 19. Valores de h media en cada una de las paredes De este modo, se identifican las paredes con mayor coeficiente de película donde debe colocarse la inercia. A continuación se muestra la discretización realizada: Figura 83. Discretización realizada A continuación se muestra la evolución térmica del recinto durante las horas nocturnas y se comprueba que en ningún momento se superan velocidades de 1 m/s en ningún punto del salón. Figura 84. Evolución térmica del recinto horas nocturna Figura 85. Velocidad del aire en el salón. Este dato asegura la viabilidad técnica de la solución al cumplir las condiciones termohigrométricas típicas de espacios acondicionados. [17] 3.4.3 HULC 3.4.3.1 Descripción del caso La geometría de la vivienda unifamiliar en bloque queda de la siguiente forma Figura 86. Geometría vivienda unifamiliar Figura 87. Geometría vivienda unifamiliar (2) Figura 88. Dimensiones vivienda unifamiliar Sin embargo, el estudio CFD se ha centrado en el salón, por lo que se realiza también un modelo del salón para analizar el problema de forma más precisa. A continuación, se muestra una tabla con los distintos tipos de material y medidas de espesor que se pueden utilizar en la definición de un cerramiento. Tipo de material Mortero de cemento o cal para albañilería Hormigonaco Expandido con dióxido de carbono CO2 Mortero de yeso Espesor (m) 0.02 0.10 0.08 0.10 0.015 Tabla 20. Tipología cerramiento Se han añadido dos ventanas de vidrio doble vertical, de dimensiones a continuación mostradas: Figura 89. Dimensiones ventana 1 Figura 90. Dimensiones ventana 2 3.4.3.2 Parámetros característicos En primer lugar, resulta necesario plasmar el inicio del problema de la caracterización mensual/estacional de la demanda energética del edificio. Suponiendo que durante un cierto periodo se desea mantener una temperatura interior constante, el balance global de energía sobre el edificio puede expresarse como: Dónde: Demanda energética del edificio : Transferencia de calor a través de los cerramientos opacos, vidriados y sus uniones como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior. : Intercambio de energía originada por la entrada voluntaria (ventilación) o involuntaria (infiltración) de aire del exterior. : Transferencia hacia el aire debida a la radiación solar. : Transferencia hacia el aire debida a las fuentes internas, es decir, ocupantes, iluminación y equipo diverso. El balance anterior es válido para cualquier régimen sin más que asignar en cada momento el signo apropiado a los diferentes flujos de calor. Por consiguiente, se puede hacer una primera distinción entre la energía que “se fuga” del edificio (pérdidas)y la energía que “entra”(ganancias), resultando: La demanda de energía de un edificio no es más que el flujo de energía ideal que se requiere aportar en calefacción o extraer en refrigeración para mantener el espacio en unas ciertas consignas de confort. Dicho esto, se puede entender que en el caso de calefacción las ganancias de energía sea un efecto útil, que maximizado puede hacer que no se requiera ni la operación de un equipo de climatización; y en su caso en refrigeración, el efecto de que existan fugas de energía en forma de pérdidas es positivo. Con esto, la demanda energética de un edificio, no es más que la diferencia entre las pérdidas de energía que tiene y las ganancias netas o útiles que recibe para calefacción; y la diferencias entre las ganancias recibidas y las pérdidas netas o útiles que tiene. Es importante señalar que los efectos dinámicos aparecen recogidos en esta formulación al hablar de “flujos netos” como se puede ver en el epígrafe correspondiente; y que por convención este dinamismo se recoge en la energía útil para reducir la demanda. Por tanto, a lo largo de las siguientes líneas se detalla el concepto de pérdidas (transmisión, infiltración y ventilación), ganancias (radiación y fuentes internas), y sus correspondientes valores netos o útiles. De cara al modelo desarrollado, la ventilación e infiltración aparecen agrupadas en forma de unas renovaciones hora equivalentes. Quedando la formulación de la siguiente form Concluyendo, una primera aproximación de los intercambios por transmisión a través de la epidermis del edificio puede ser: Para modelar las ganancias solares se hace uso del área solar sur equivalente , y de la radiación integrada sur incidente efectiva . Resultando: Dónde el Área solar sur equivalente ASSE es la relación entre la radiación que reciben las ventanas en sus correspondientes orientaciones y con las sombras propias y/o lejanas que tengan, y la radiación que recibirían si estuvieran orientadas al sur sin ningún tipo de sombra. En los siguientes puntos se calculan los parámetros energéticos del edificio. Estos parámetros son útiles para la elaboración de un modelo simplificado mensual o para la realización de una diagnosis del caso. 3.4.3.3 Transmisión, ventilación e infiltraciones Los parámetros energéticos referidos a las pérdidas del edificio son: - UA [W/K] = 68 teniendo en cuenta el efecto de los puentes térmicos, que toma un valor de 29.5 [W/K]. - [W/K]= 4.7 Para obtenerlos se han realizado pasadas sucesivas en las que se ha mantenido una temperatura unidad constante en el interior del espacio con unas excitaciones convectivo-radiantes exteriores nulas. En cada pasada se ha anulado alguno de los efectos: - Pasada 0: se mantiene un grado de temperatura interior. El flujo de calor en régimen permanente es el debido a las pérdidas por transmisión, ventilación e infiltraciones - Pasada 1: se anula el efecto de la ventilación e infiltraciones. El calor suministrado para mantener 1ºC en el interior del espacio se debe al efecto de la transmisión en el edificio - Pasada 2: se anulan los puentes térmicos. De esta forma sobre la pasada 1 se estima la contribución de los puentes térmicos a las pérdidas. - Pasada 3: Sobre el caso 2 se activa el efecto de infiltraciones y ventilación. Así se puede comparar 0 y 3 para obtener 3.4.3.4 Ganancias Para el cálculo del efecto de las ganancias se van a realizar pasadas en evolución libre. Las pasadas a realizar son 3. - Pasada 4: evolución libre del caso nominal - Pasada 5: se anula el efecto de la radiación, para ello del archivo climático se hace nula la excitación directa y difusa - Pasada 6: sobre la pasada 5 se anula el efecto de las fuentes internas. De esta manera se puede obtener el incremento de temperaturas que supone cada uno de los efectos en valor promedio mensual. Este incremento de temperaturas se relacionará directamente con el flujo de calor ganado. Las etapas realizadas son: 89 - Cálculo de temperatura media interior para los meses de junio, julio, agosto y septiembre - Cálculo de la radiación global integrada en esos meses - Cálculo de la temperatura media exterior [W/K] 68 ºC JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE T1=Temp. Interior Nominal (Pasada 4) 29.66 33.83 34.86 32.68 T2=Temp. Interior NO Rad (Pasada 5) 25.71 29.55 30.81 29.33 TEXT: Temp. Exterior 23.44 26.85 26.79 24.41 RAD=Radiación [Wh] 215773 234556 213658 159787 T1-TEXT 6.22 6.98 8.07 8.27 T2-TEXT 2.27 2.70 4.03 4.92 Incr. Temp. Debido a Rad 3.95 4.28 4.05 3.34 ASSE (m2/m2) 0.0012 0.0012 0.0013 0.0014 Tabla 21. Temperatura media interior, radiación global y temperatura media exterior 3.4.4 Ventilación nocturna Ya antes se ha dicho que el ventilador proporciona 2600 m3/h, por lo que considerando el volumen del salón se tienen 10.2 Ren/h de aire en el espacio. Cálculo: En primer lugar se realizan pasadas con la herramienta variando el nivel de ventilación nocturna. El objetivo es conocer cuál es el ahorro estimado por la herramienta sin el uso de la capacidad adicional. Demanda Refrigeración kWh/m2 Ahorro [%] Sin Ven. Nocturna 20.87 - 2 ACH 17.14 17.84 4 ACH 14.06 32.60 6 ACH 12.34 40.87 8 ACH 11.35 45.58 10 ACH 10.75 48.48 12 ACH 10.36 50.35 10.2 ACH 10.70 48.70 Tabla 22. Demanda refrigeración y ahorro Estos resultados están calculados considerando un coeficiente de transferencia convectivo de 2 W/m2K para las paredes verticales y 4.3 W/m2K para las horizontales. Ahora bien, gracias al trabajo realizado, estos coeficientes de transferencia pueden modificarse para los elementos de inercia. h (W/m2K) Zona 4.6 Pared1 3.8 Pared2 4.9 Pared3 97 7 [1] «Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo (refundición)». [2] [En línea]. Available: http://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/. [3] P. P. d. Real. [En línea]. Available: www.ocv.unia.es. [4] B. B. Van Hoof T, «Coupled urban wind flow and indoor natural ventilation». [5] B. B. Ramponi R, «CFD simulation of cross-ventilation flow for different isolated building configurations: validation with wind tunnel measurements and analysis of physical and numerical diffusion effects.». [6] R. CL, «Daylighting design and analysis». [7] S. T. Karava P, «Airflow assessment in cross ventilated.». [8] B. H. 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