Estudio sobre protecciones solares en envolventes, incidencia lumínica y radiación en el interior de los edificios

Trabajo fin de Grado Autora: Raquel Jiménez Lupiáñez Director: Jaime Navarro Casas Grado en Fundamentos de la Arquitectura. ETSAS. [02-07-2015] ESTUDIO SOBRE PROTECCIONES SOLARES EN ENVOLVENTES Incidencia lumínica y radiación en el interior de los edificios ÍNDICE ÍNDICE ........................................................................................................ 0 1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 2 1.1 Motivación ......................................................................................... 2 1.2 Relevancia y oportunidad ................................................................... 3 1.3 Objetivos generales y específicos ........................................................ 4 2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................... 5 3. METODOLOGÍA .................................................................................... 42 3.1 Obtención de información técnica ..................................................... 42 3.2 Campaña de mediciones .................................................................. 42 3.3 Simulación informática ..................................................................... 44 3.4 Calibración del modelo virtual .......................................................... 45 3.5 Aplicación a un caso de estudio ........................................................ 45 3.5.1 Obtención de información del caso de estudio ............................ 47 3.5.2 Campaña de mediciones ............................................................ 50 3.5.3 Simulación informática ............................................................... 52 3.5.4 Calibración del modelo virtual .................................................... 56 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................... 59 5. CONCLUSIONES ................................................................................... 70 6. IDEAS PARA AMPLIAR EL TRABAJO DESARROLLADO ............................... 72 7. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... 73 Artículos: ............................................................................................ 73 Libros: ................................................................................................ 74 Páginas Web: ...................................................................................... 74 ANEXO...................................................................................................... 75 Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 1 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 2 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación El panorama actual está demandando un cambio en la forma de hacer arquitectura; hoy en día buscamos la máxima eficiencia energética para los edificios, para ello llevamos a cabo distintos procedimientos; disminución de las necesidades de consumo de energías primarias, máxima optimización del rendimiento de los aparatos que instalamos en nuestros edificios, control de la instalación en función de las necesidades del usuario y del propio edificio. ¿Qué ha motivado esta búsqueda? Desde el Consejo Europeo, y en nuestro caso a través de la Junta de Andalucía, nos llega la información de una nueva estrategia de crecimiento inteligente, sostenible e integrado; conocido como Objetivo 20-20-20, la Consejería de Empleo (AA.VV., 2012), expone la siguientes intenciones: -Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en un 20% respecto de 1990 con el compromiso, bajo acuerdo internacional, de elevar el objetivo hasta el 30%. -Alcanzar el 20% de fuentes renovables en el consumo energético de la UE en 2020 y un 10% en el sector del transporte. -Aumentar la eficiencia energética con el fin de ahorrar un 20% del consumo energético de la UE respecto de las proyecciones para el año 2020. Para lograr avances en los tres aspectos arriba mencionados, las prioridades que marca la Unión Europea son: -Eficiencia energética -Consolidación e integración del mercado europeo de la energía -Desarrollo y promoción de tecnologías energéticas -Facilitar el acceso a un suministro competitivo y seguro de energía -Relaciones internacionales En este caso la investigación se enfoca a la primera de las prioridades, la eficiencia energética; la cuál lucha contra el cambio climático. Se afronta desde el estudio de protecciones pasivas para fachada, que tan necesarias son en climatologías con altos niveles de radiación solar, en los que se genera una alta demanda energética por el uso excesivo de las instalaciones de climatización; y que por otro lado, si están mal resueltas por exceso, pueden restar mucha iluminación Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 3 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez natural afectando en este caso a la demanda energética, por falta de iluminación natural, solventada con aumento de consumo eléctrico. Este tema resulta de gran interés, puesto que tanto la climatización como la iluminación son determinantes en el porcentaje de consumo en los edificios terciarios. En las viviendas la climatización, de nuevo adquiere gran importancia. En concreto, la calefacción supone casi la mitad del consumo energético de una vivienda. Se muestran a continuación unas gráficas del IDEA, (AA.VV., 2011) para hacer referencia a lo comentado anteriormente: Figura1: Diagramas de consumo energético en edificios terciarios, 2008; y en viviendas, 2011. (Ministerio de Industria, Energía y Turismo, 2015.) 1.2 Relevancia y oportunidad Ante este panorama parece un buen momento para darle importancia a las acciones pasivas en los edificios, que nos ayudan a reducir la demanda, y a la bajada del consumo de energías primarias. El estudio ve la oportunidad de profundizar en el análisis de las protecciones solares, como sistema de control solar, pero a la vez como elementos de composición de los alzados de los edificios. En un país como España en el que el nivel de soleamiento y la cantidad de horas solares son tan altos, parece que el conocimiento de estos sistemas puede resultar muy beneficioso. El problema, como se desarrollará en el trabajo, es que existe aún un amplio desconocimiento del funcionamiento específico de estas protecciones, lo que da lugar en muchas ocasiones al uso de ellos, pero con resultados contraproducentes (aumentos de demanda de iluminación artificial, o de calefacción para las épocas frías); para intentar solventar esta tendencia, se realiza este trabajo de investigación, con la idea de que pueda servir de guía, o de base informativa sobre la correcta aplicación de los sistemas de protección solar, y sus repercusiones en el interior de los espacios. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 4 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 1.3 Objetivos generales y específicos Objetivo general: - Estudio de protecciones solares, tipologías, características y repercusión en el interior de los edificios. Objetivos específicos: - Conocer del panorama actual, en cuanto a estudios sobre protecciones solares. - Profundizar en el conocimiento de las pantallas y las mallas metálicas perforadas. - Estudiar la repercusión de las protecciones solares en la configuración de la luz natural y la radiación en el interior de los edificios. - Desarrollar un caso práctico, sobre un edificio existente con malla perforada, para analizar la iluminación natural y radiación en el interior del mismo. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 5 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 2. ESTADO DEL ARTE En la sociedad actual, la cuestión de la sostenibilidad del medio ambiente está adquiriendo mayor relevancia política y económica, como ya se ha insinuado. Según Jesús Blanco en (Blanco, 2014), se debe encontrar el equilibrio correcto para mantener niveles adecuados de desarrollo sin malgastar los recursos disponibles. La búsqueda de este equilibrio, combinado con una mayor demanda de energía, está marcando el comienzo de una nueva forma de desarrollo urbano. En el campo de la construcción, se realizaron análisis desde las primeras etapas del diseño para determinar cómo los edificios dependen de su entorno y qué beneficios se pueden obtener de la adaptación de los estos al mismo. Hay muchos factores involucrados, tales como la luz solar (a través de la radiación de onda corta), el terreno, el cielo y el aire (a través de la radiación de onda larga) que actúan como fuentes de energía, que influyen en el diseño de edificios, por lo que los efectos de estos factores deben abordarse adecuadamente. Por tanto, es necesario desarrollar nuevas estrategias de diseño, introducir nuevos materiales y seleccionar ubicaciones y orientaciones adecuadas, con el objetivo de conseguir un uso más eficiente y racional de los recursos naturales. Los estudios realizados por la Agencia Europea de Medio Ambiente (AEMA) descomponen el consumo total de energía de los edificios en Europa por combustible y por categoría como se muestra en la Figura 2a. El escenario blue map, describe el papel de la energía en la transformación del sector de la construcción en el año 2050 en línea con el objetivo general de reducir la media anual de emisiones de CO2 a la mitad de los niveles de 2007. Figura 2b muestra cómo ampliar las políticas energéticas residenciales afectará a algunos usos finales más que otros en porcentaje, para el período 2012-40 de acuerdo con el Annual Energy Outlook (AEO 2014). Figura 2: a) Consumo de edificios por tipo de energía y escenario; b) Cambio en el reparto del consumo de energía, por tipo y usuario. (Blanco, 2014). Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 8 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Estos estudios llevaron a la Comunidad Económica Europea (CEE) a publicar la Directiva 2002/91/CEE del Consejo, buscando establecer directrices que promuevan la eficiencia energética en el diseño de edificios, teniendo en cuenta los factores climáticos generales y locales de cada región, los requisitos ambientales para la construcción de interiores, y la relación coste-rendimiento. Estas directrices incluyen regulaciones de configuración para el control del consumo de energía en el sector de la construcción y de la certificación de edificios individuales en función de su consumo de energía. En España, la Directiva fue transpuesta en el Real Decreto 1.027 / 2007, que a su vez condujo a la elaboración de los Reglamentos de Instalaciones Térmicas en los Edificios como un instrumento regulador clave. También existen herramientas de tecnología de la información para la certificación de edificios usando un sistema de etiquetado energético que mide el consumo anual de energía y los gradúa de acuerdo a un estándar de eficiencia energética. Incluye calefacción, refrigeración, iluminación y todos los otros equipos electrónicos, como ordenadores y ascensores, entre otros. Por otro lado es interesante resaltar el concepto de envolvente, ya que es sobre este, al que vamos a referirnos a lo largo de la investigación, Xavier Ferrés en (Ferrés, 2013) da una interesante definición de envolvente de un edificio, como el elemento que separa el interior del exterior y además actúa como interfaz entre el edificio y el medio urbano. Sus funciones más importantes son proteger de los agentes climáticos (frío, calor, lluvia y viento) definir el volumen y crear un ambiente acogedor. Como parte de esta envolvente, la fachada es tanto la cara pública de un edificio como un elemento del medio urbano. Además el modernismo promovió que la apariencia externa de un edificio reflejase también la función del mismo. Esto, junto con la creciente autonomía de las fachadas, las estructuras de soporte (muro cortina) y las crecientes demandas de flexibilidad; condujo a una mayor atención a las superficies exteriores. El color y la textura de los materiales escogidos desempeñan un papel crucial en la apariencia visual del edificio. Volviendo la mirada al pasado, Guillermo de la Paz Pérez expone en (Pérez, 2012), que en las primeras concepciones arquitectónicas no existía la preocupación por el aspecto climático, no se estudiaba la influencia del mismo a la hora de diseñar el edificio, de forma que simplemente se añadían soluciones parciales a los problemas, por ejemplo, mediante la colocación de un elemento extra, no pensado ni proyectado desde la idea y sin entender este aspecto como un condicionante más de proyecto. Las propuesta que se realizan en la actualidad, muchas de ellas, se dejan guiar por modas sin tener en cuenta el emplazamiento, de forma que se ejecutan proyectos poco adaptados al entorno y sus condiciones, generando grandes superficies acristaladas donde no es conveniente o cerrando otras que deberían ser más permeables, generando así importantes incrementos en las demandas de los edificios y en el consumo de recursos. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 9 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez La arquitectura de los 50-60 vivió una situación similar y supo reaccionar reinterpretando recursos para la arquitectura que supusieran una mejora en el aspecto climático; esta tendencia comenzaría a perderse en los años 70, debido a la garantía de energía barata que procuraba el petróleo proveniente de la URSS. Este aspecto, unido a la prefabricación, daba lugar a proyectos tipo que ayudaban a disminuir la demanda de viviendas que se vivía en aquel momento, pero que conllevó soluciones importadas de climas fríos a otros donde las condiciones eran radicalmente distintas. Además de la despreocupación existente en aquel momento por las condiciones ambientales. Llegaron los 90, y a pesar de que la energía ya no era tan barata y había disminuido la prefabricación, la influencia de las tendencias arquitectónicas de los climas fríos siguió presente. Estas tendencias conllevaron el uso de cerramientos compuestos por superficies acristaladas, que en los climas cálidos, con un gran número de horas de radiación solar y altas temperaturas; suponen un factor de aumento del malestar térmico y lumínico, los deslumbramientos y el aumento de la demanda energética; y por tanto del consumo de energía. Las correcciones de estas circunstancias a posteriori con la colocación de elementos de protección solar por el interior ha llevado a la disminución de la calidad de la iluminación natural dentro de esos espacios, suponiendo de nuevo un aumento energético por la necesidad de electricidad para alcanzar los niveles de confort lumínico necesarios. Cabe destacar la situación de las regiones tropicales y subtropicales en las que las estrategias pasivas de adaptación a las condiciones climáticas suponen un aspecto básico de la arquitectura. Destaca el control solar y el uso de acciones que garanticen una buena ventilación e iluminación natural. En los climas cálidos la principal estrategia debe ser el uso de una protección solar que permita un control de la entrada de luz y calor en el interior del edificio y evite el gasto de energía necesario para contrarrestar el exceso de carga adquirido. Según Jeong Tai Kim en (Kim, 2010) un dispositivo de protección solar es un elemento esencial para determinar el efecto de la componente reflejada del sol directo en el comportamiento de la iluminación natural en el espacio interior y del rendimiento térmico relacionado con la ganancia solar. Se pueden utilizar una gran variedad de dispositivos de control de la luz solar, que pueden ser eficaces para lograr luz natural donde se necesite y para eliminar las zonas con posibilidad de deslumbramiento. Una práctica muy común, es que las ventanas se protejan del sol directo mediante el uso de persianas venecianas que se manejan manualmente para proporcionar un efecto de sombreado completo, independientemente de la orientación de la fachada. La mayoría de la gente elegiría persianas venecianas debido a su bajo coste y conveniencia, así como por su rendimiento. Profundizando en las venecianas, Athanassios Tzempelikos tiene un estudio, (Tzempelikos, 2008), en el que sostiene que son muy utilizadas debido a su capacidad para reflejar y transmitir la luz natural de manera eficiente al interior de los edificios, así como para garantizar la privacidad cuando es necesario. Son simplemente lamas horizontales equidistantes. Debido a la pequeña dimensión del dispositivo, su óptica y propiedades térmicas, son complejas y dependen de varios parámetros: las características de la persiana, el ángulo de inclinación y el ángulo de Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 16 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez El nivel de iluminancia en 1 metro de anchura del plano de trabajo, tiene casi el mismo valor para todos los puntos, los cuales tienen la misma distancia desde la ventana y a lo ancho del plano de trabajo. El nivel de iluminación por encima de la norma IESNA fue considerado como una cantidad excesiva de la luz y que contribuía negativamente a la carga de refrigeración en verano. Los niveles de iluminancia por debajo de la norma IESNA necesitan luz artificial para hacer cumplir los valores normales, por lo que aumenta el consumo de energía en las oficinas. En consecuencia, la diferencia entre el IESNA y el total de lumen en el área del plano de trabajo se consideró como consumos de energía, tanto para carga de refrigeración como para la luz artificial. Después de dividir la cantidad excedente de luz por la eficacia de la luz natural, el resultado mostró que las ventanas sin dispositivos de sombreado sobrepasan los estándares de iluminación en 25 W/m2 en el plano de trabajo. Sin embargo, la colocación de dispositivos de sombreado en ventanas en este estudio es buena cuando se utilizan elementos verticales. La demanda en esta situación es sólo del 10,2 W/m2 en el área del plano de trabajo. Por otra parte, los dispositivos de sombreado horizontal necesitan 17,3 W/m2 para cumplir con la IESNA. El peor de los casos de colocación de protecciones solares se produjo con las horizontales a 45º; la oficina necesita 46.7 W/m2 para cumplir los estándares, en este tipo de dispositivos de sombreado, el nivel de iluminancia en toda la oficina estaba por debajo de los estándares IESNA. Esto significa que las rejillas obstruían la luz del día y hacían que la zona de oficinas tuviera que estar iluminada por luz artificial, lo cual acaba aumentando la energía necesaria para iluminar la oficina. Hussain H. Alzoubi en (Alzoubi, 2010), concluye que existe una posición óptima en la que las protecciones solares pueden trabajar positivamente en términos de calidad de espacio arquitectónico. Las protecciones solares verticales pueden proporcionar simultáneamente buena iluminación natural y mínima ganancia de calor en los espacios. Para fachadas de orientación sur, se pueden utilizar persianas verticales, ya que son útiles en el ahorro de energía. La idea de la colocación de dispositivos de sombreado no debe conducir a un mayor consumo de energía en iluminación artificial. Por el contrario, las protecciones solares deben ayudar a crear lugares agradables con entornos óptimos en términos de iluminación y ganancia de calor. Los dispositivos de sombreado vertical también pueden ser muy eficaces en cuanto a proporcionar buena visión de los exteriores desde el interior. Llegados a este punto debemos conocer la diferencia entre la colocación del elemento de sombreado por el exterior o por el interior (tipo persiana). Ya que en este trabajo nos centramos en las protecciones externas, apoyado del estudio de Jeong Tai Kim, (Kim, 2010), que ha desarrollado un dispositivo experimental de sombreado externo, en busca de un mejor rendimiento del mismo, y la posibilidad de mejorar las vistas hacia el exterior desde el edificio. Jeong Tai Kim llevó a cabo una serie de simulaciones y mediciones para verificar las diferentes ventajas en la iluminación y el consumo de energía del edificio, permitiendo una mayor apertura al aire libre, con la colocación de un elemento de control solar. El programa de análisis de luz natural, Radiance produjo Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 17 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez datos de iluminancia en función de los niveles de iluminación. El rendimiento del dispositivo experimental se tradujo a rendimiento energético utilizando un programa de simulación de energía en edificios, Virtual Environment. Centrándonos en el rendimiento de iluminación; se estudió el rendimiento de un sistema de ventanas tipo con iluminación natural (orientación sur), la incorporación de una persiana horizontal convencional, un dispositivo de sombreado externo horizontal y un dispositivo de sombreado externo inclinado, al mediodía del 21 de marzo en Seúl, Corea. Figura 6: Diseño del sistema experimental de protección solar. (Kim, 2010). El análisis paramétrico de la configuración del dispositivo de sombreado externo, en el estudio preliminar, mostró que una profundidad de 0,8 m era lo más apropiado en relación a la iluminación natural y efecto de sombreado, y que una pendiente de 20º constituía el mejor ángulo para la iluminación. El rendimiento fue analizado en base a la profundidad del espacio en la parte trasera, media y delantera de la vivienda. En el espacio frontal adyacente a la ventana, el dispositivo de sombreado externo en pendiente mostró el rendimiento más deseable en cuanto a iluminación. La iluminancia media era un 20% más que para una configuración convencional de persiana horizontal. Se encontró un rendimiento más significativo en el espacio trasero; la persiana horizontal proporciona 500 lux y el dispositivo de sombreado externo horizontal proporciona 600 lux, mientras que el dispositivo de Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 18 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez sombreado externo en pendiente de 20º produce 700 lux, que es una excelente iluminación del espacio trasero. El rendimiento de la luz del día en verano está fuertemente relacionado con la cantidad de carga de enfriamiento del espacio y por lo tanto, el efecto de sombreado del dispositivo es más importante en verano, como se muestra en la Figura 7. El rendimiento de la luz natural es relativamente más bajo que en otras estaciones, debido a la mayor altitud del sol, que podría ser el 50% de la de primavera u otoño. Centrándose en la iluminación en la parte trasera del espacio, se demuestra que el rendimiento de la luz natural en el espacio trasero disminuye en un 40% cuando se adoptó la persiana horizontal convencional. Sin embargo, cuando se utilizó el dispositivo de sombreado externo, el nivel de iluminación natural se atenuó en un 30%. Por lo tanto, el dispositivo de sombreado externo producía un mejor rendimiento en verano que otros dispositivos. Figura 7: Iluminación natural con los diferentes sistemas (orientación sur al medio día). (Kim, 2010). En invierno, se demostró que el dispositivo producía un mejor rendimiento en la iluminación en comparación con la persiana horizontal. En el caso de la persiana horizontal, el nivel de iluminación natural en el espacio medio se elevó debido a la posición más baja del sol. Al mediodía, la altura del sol en la península coreana es 30º, lo que significaba que la persiana horizontal no pudo desviar la penetración de la luz solar de manera eficaz. En el caso del dispositivo de sombreado externo, se demostró que el nivel de luz natural era mayor que la persiana horizontal, produciendo 1.000 lux para el espacio trasero. Esto contribuyó al ahorro de calefacción y energía de iluminación en invierno. En general, cuando se aplica un dispositivo de sombreado; la demanda de refrigeración se atenúa mientras que la demanda de calefacción aumenta. El dispositivo de sombreado externo experimental proporciona una reducción del 20% de la carga de refrigeración y una reducción de la demanda de calefacción de un 12%; sin embargo, permite la penetración de más luz de la que permitiría la persiana horizontal, y podría proporcionar un mayor nivel de iluminancia durante la temporada de calefacción. La persiana veneciana se puede utilizar con lamas inclinadas para obtener más luz natural, pero se obstruyen las vistas hacia el exterior. Cuando se inclina la lama 20º en una persiana veneciana, la cobertura vertical bloquearía un 30% de la vista a través de la ventana. En caso del dispositivo experimental, a pesar de que los listones Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 19 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez están inclinados 20º, la cobertura sólo bloquea el 15% de la vista a través de la ventana de vidrio, otra ventaja del modelo experimental. Pasamos ahora a hablar de otro sistema de protección, las pantallas solares, Ahmed Sherif las define en (Sherif, 2012) como paneles perforados que se colocan frente a las ventanas, un tipo de sistema de sombreado que permite pasar la luz natural mientras se controla la cantidad que entra, y que ya han demostrado su funcionalidad en edificios tradicionales a lo largo de la historia. Este sistema surge de la necesidad de aprovechar la luz óptima del desierto para la iluminación de interiores solventando los problemas de incomodidad térmica y de deslumbramiento. Estas pantallas se asemejan a una solución tradicional llamada "Mashrabeya" o "Rawshan" (figura 8), que estaban hechas de celosías de madera perforadas con distintas geometrías. Han sido utilizadas a lo largo de la historia para proteger aberturas de edificios de Oriente Medio, aportando la privacidad que requiere la cultura de las comunidades de la región. Normalmente colocadas por el exterior de las ventanas, aunque también pueden usarse como filtro entre espacios y para tamizar la luz de los patios; sin embargo, hay una enorme falta de compresión de su modo exacto de funcionamiento. Por lo que los estudios que ayudan al conocimiento del efecto de la geometría de estas pantallas para el ahorro energético son muy beneficiosos, y pueden ayudar a mejorar el rendimiento de las mismas. Publicaciones anteriores examinaron la potencialidad de reflejar la luz a través de las pantallas "Rawshan", concluyendo que para todas las posibles configuraciones celulares de la pantalla solar, el valor más alto de la contribución de la luz reflejada se experimentaba en la zona central del espacio estudiado. El factor de luz natural oscilaba entre un 10% y un 23% en el centro, mientras que era menor del 12% en los laterales. Además, la luz fue menor en el caso de formas redondeadas que en las otras formas probadas. La luz reflejada era mayor en la pantalla de gran diámetro, debido a la relación que existía de aberturas y partes sólidas en las pantallas. Figura 8: Arab Fund aka Arab Foundation aka Arab Organizations Headquarters building, diwaniya, mashrabiya. Vista desde el interior del mashrabiya. (Adventure, 2015) Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 20 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Figura 9: Aberturas en pantallas alineadas en Figura 10: Pantallas solares Rawshan de diferentes momentos mientras el ángulo cambia diferentes formas. (Sherif, 2012) a lo largo del día. (Sherif, 2012). Otras investigaciones exploraron el uso de algoritmos en la ayuda a la generación, el análisis y la fabricación de pantallas solares. Esto se hizo a través de la colocación de dos paneles alineados cortando la trayectoria del sol, cambiando el material de translúcido a opaco y jugando con la interacción de los sólidos y los huecos (Figura 9). En los próximos estudios se trabaja sobre un modelo similar para todos los casos, el estudio de Hanan Sabry, (Sabry, 2014), considera un típico salón residencial localizado en el desierto. Se consideran unas dimensiones estándares que podrían simular cualquier salón de un residencial común. Se utiliza una reflectividad del suelo exterior del 20%. Figura 10: Parámetros arquitectónicos de la sala de estar estudiada. (Sabry, 2014). Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 21 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Ahmed H Sherif resalta en (H. Sherif, 2012) que el diseño de un dispositivo de protección para iluminación natural eficaz, debe tener en cuenta muchos aspectos como: geográfica, ubicación, condiciones climáticas, orientación del edificio, confort visual, ganancia de calor, así como las necesidades socio-culturales o la privacidad. Concretamente, Ahmed Sherif en (Sherif, 2012) informa sobre los resultados de una investigación que estudió la influencia del porcentaje de perforación de las pantallas solares en la actuación de la luz natural en un típico salón residencial de una localización desértica. El fin era identificar el porcentaje mínimo de perforación de la pantalla que proporcionara los niveles adecuados de para todo el año, de forma que sean capaces de conseguir una comodidad térmica y eviten deslumbramientos no deseados. El trabajo de investigación se dividió en tres etapas, en la primera fase se analizaron los niveles de iluminación de luz natural en fechas y horas específicas, demostrando que las pantallas cumplen los requisitos de la mayoría de los casos. Los niveles de iluminación en el espacio residencial examinado fueron satisfactorios en el 83% de los casos en la zona cercana y el 53% en la zona de longitud media, mientras que en la zona lejana era positivo en el 40% de los casos. Con el fin de lograr mejores niveles de iluminación en las zonas media y lejana, se requerían porcentajes de perforación más altos, considerando una distribución de perforaciones no uniforme dentro de la propia pantalla. En cuanto a la influencia de la pantalla frente a la luz natural, se encontró que dependía en gran medida de la orientación de la ventana y el momento del día. En la orientación Sur y Este a las 9:00 y Oeste a las 15:00, los valores de iluminancia eran adecuados en la mayoría de los casos. Esto demostraba que en estas orientaciones, las pantallas podrían ser útiles en el suministro de suficiente luz natural y al mismo tiempo satisfacer las necesidades de confort térmico, ya que la radiación solar puede ser controlada con porcentajes bajos de perforación. Sin embargo, en la orientación Norte, hubo una disminución significativa en la iluminancia debido a la utilización de estas pantallas. Esto podría atribuirse a la ausencia de la exposición solar directa sobre la pantalla, que hizo de la misma un dispositivo de regulación, en lugar de una herramienta para el control solar. La segunda etapa se construyó sobre los resultados de la primera, y se dirigió al rendimiento durante todo el año mediante la similación con Dynamic Daylight Performance Metrics (DDPMs). Se comprobó que el porcentaje anual de “luz natural disponible” estaba muy relacionado con el porcentaje de perforación de la pantalla. Al disminuir el porcentaje de perforación, el porcentaje de espacios con luz natural y espacios sobre iluminados disminuía también. Al mismo tiempo, las zonas parcialmente iluminadas aumentaron en porcentajes similares independientemente de la orientación. Como resultado de las etapas de investigación, se recomienda utilizar un mínimo de 80% de perforación en espacios similares al caso probado (espacio pequeño tipo salón residencial) en la orientación Sur. En la tercera etapa, una investigación inicial sugiere que el uso de pantallas puede reducir significativamente la aparición de fenómenos de deslumbramiento. Además, se sugiere estudiar la eficiencia de pantallas solares con ratios de perforación no uniformes, estos podrían ser útiles en la mejora de los niveles de iluminación en las zonas medias y lejanas de los casos insatisfactorios. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 22 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez En el estudio (A. Sherif, 2012), Ahmed Sherif se centra en el desarrollo de nuevos sistemas de pantallas solares que contribuyan al ahorro energético. El documento estudia el análisis de la perforación y relación de profundidad en las pantallas para conseguir las configuraciones más óptimas en una ventana para distintas orientaciones. Parece de gran interés en esta época estudiar la prevención del sobrecalentamiento, a través del control del rayo solar transmitido por la ventana. Por lo que el estudio se marca el objetivo de investigar la influencia de la profundidad y los porcentajes de perforación de las pantallas, de forma que se consiga un descenso de la energía necesaria para refrigeración, calefacción e iluminación. En este caso se opta por la utilización del software EnergyPlus. Con el estudio, se observó que una ventana normal sin protección tenía su pico de consumo en estancias con orientación oeste, suponiendo casi un 45% de la utilización de energía de refrigeración de la vivienda. El norte es la orientación con menor consumo de refrigeración. Tras este primer acercamiento se comentan los resultados para las distintas configuraciones de pantallas de protección en función de las orientaciones. Figura 11: Ejemplo de las gráficas obtenidas del estudio que muestran el porcentaje de sombreado, en función de las distintas relaciones de profundidad. (A. Sherif, 2012) En la figura 11, las celdas oscuras indican los valores de consumo energético más bajo. Para el oeste, el consumo de energía más bajo fue localizado en las pantallas con un porcentaje de perforación del 80% y una relación de ancho-profundo de 1.00. Algo más de energía se precisa con configuraciones de PP 80-90% y RP 0.75- 2.00. Para la orientación sur, el mejor resultado se obtiene con pantallas de PP 90% y RP 1.00. Algo más de energía se precisa con configuraciones de PP 80% y RP 0.75- 2.00. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 23 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Para la orientación este, el mejor resultado se obtiene con pantallas de PP 90% y RP 1.00. Algo más de energía se precisa con configuraciones de PP 80% y RP 1.25- 1.05. Por último para la orientación norte, el mejor resultado se obtiene con pantallas de PP 80% y RP 1.00. Una amplia gama preciso algo más de energía PP 60-98% y RP 0.25-1.25. Profundizando en un caso concreto, se muestra un ejemplo con relación de profundidad constante de 1.00 en orientación oeste (figura 12), vemos como la energía de refrigeración disminuye de forma gradual para PP de 20-80%. Del mismo modo que le ocurre a la carga de soleamiento. Destacar que la carga de calefacción es insignificante y prácticamente constante. Mientras que la de iluminación disminuye constantemente conforme aumente el PP. Figura 12: Gráfica para orientación oeste, con RP 1.00. De arriba hacia abajo se muestran valores de: Luz eléctrica, energía solar transmitida por la ventana, energía para refrigeración, energía para calefacción y radiación solar. (A. Sherif, 2012). Como resumen se aportan unas gráficas que muestran cada una de las orientaciones, en función de una relación de profundidad concreta, para ver cómo afecta el porcentaje de perforación al ahorro energético, figura 13. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 24 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Figura 13: Consumo anual de energía según porcentajes de perforación y orientación. De arriba hacia abajo y de izquierda a derecha: Oeste, Sur, Norte, Este. (A. Sherif, 2012). Para oeste, sur y este, los mayores ahorros se dan para perforaciones entre 80- 90% y relaciones de profundidad 0.5-1.5. Por otro lado el PP de 60% muestra buenos resultados con pantallas finas RP 0.5, mientras que los PP 98% van mejor con pantallas profundas RP 1.5. Con el uso de pantallas de protección solar, se consiguen ahorros de 30, 30, 26 y 7% respectivamente para las orientaciones O, S, E, N. En algunos casos el uso de pantallas al norte ha llegado a causar efecto negativo por excesivo sombreado. Finalmente, se llega a la conclusión de que debido al cambio en el ángulo de incidencia de la radiación solar, las pantallas más profundas ofrecen más posibilidades de protección, ya que por las más delgadas pasa mayor radiación aun contando con el mismo porcentaje de perforación. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 25 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Hacer uso de este sistema sin un estudio adecuado puede llegar a causar incremento en el consumo de energía, por ejemplo de iluminación, si lo que hacemos es incrementar la sombra en una ventana disminuyendo la iluminación. Resaltar, que en un clima caliente como el del desierto, el uso de pantallas solares ayuda a reducir el consumo energético. Continuando con el ahorro energético, Ahmed H. Sherif en (H. Sherif, 2012), sostiene que la utilización de la luz del día como un sustituto para la iluminación artificial es una de las formas más efectivas de implementar las energías renovables en los edificios. Un buen diseño de la luz natural mejora la calidad de vida y de trabajo mediante la creación de un ambiente adecuadamente iluminado mientras conseguimos además un ahorro de energía. Esto es especialmente interesante en el caso del desierto, al igual que en la investigación anterior, un lugar que disfruta durante todo el año de una alta radiación solar, fomenta el uso de la luz natural. También debemos tener en cuenta que en estos climas, la penetración de luz del día puede llegar a ser excesiva en algunos espacios (alta ganancia solar y la luz con distribución no uniforme) que conduce a la aparición de fenómenos de deslumbramiento, por lo que se promueve el uso de estas pantallas solares estudiadas. De todo el trabajo de investigación que existe sobre pantallas hay muy pocos que se preocupen por el rendimiento de la luz del día, por lo que el principal objetivo de Ahmed H. Sherif, es llegar a diseños de pantalla solares eficientes para adaptarse a las diferentes orientaciones. Se estudió el impacto del cambio de ángulo de rotación axial en pantallas solares y la relación de apertura de la pantalla en relación con la entrada de iluminación natural. Del estudio, se seleccionaron los diseños que alcanzaron niveles interiores de luz natural adecuados (marcando un valor mínimo y máximo para las zonas más iluminadas y otros para las áreas parcialmente iluminadas), 50% o más de las áreas del espacio estudiado. Figura 14: Ejemplo de relación de apertura en algunas de las pantallas solares estudiadas. (H. Sherif, 2012). Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 32 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Chapa perforada, R4T6. Chapa perforada, estampada, 06003. Malla metálica, 00003. Malla metálica, A401. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 33 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Rejilla metálica, 11016. Figuras 17-22: Modelos y características de las chapas, mallas y rejillas analizadas. (Mainini, 2014). Tras el estudio, llegan a la conclusión de que el factor de apertura de las chapas perforadas y estampadas permite considerarlas como protecciones solares; sin embargo, el de la malla de rejilla metálica y la tela recubierta de metal no es un parámetro adecuado para definirlas como sistemas de protección solar. Los resultados de la luz angular y la medición de la transmisión solar se ven fuertemente afectados por la geometría y la relación entre la dimensión de apertura estándar y el espesor del panel. Se debe llevar a cabo una evaluación adicional, de acuerdo con la orientación y la posición del sol prevista, para determinar la posición (rotación en el plano de fachada si existe) del sistema de sombreado, maximizar la luz directa y reducir la transmitancia solar, considerando los requerimientos de luz natural. Los resultados de la transmitancia solar para una rejilla o malla metálica genérica, si se estudia el sistema como un dispositivo de sombreado, no varían excesivamente en función de la orientación Este u Oeste. En cuanto a la orientación Sur, la transmitancia solar varía notablemente y alcanza el mínimo durante los meses de verano y el máximo durante los meses de invierno. La latitud también influye en los resultados para la orientación Sur. Los lugares sureños tienen una transmitancia solar menor que los del norte. Para las mismas condiciones climáticas, se realiza una prueba con un vidrio de baja emisividad, el resultado revela que tiene cargas de enfriamiento más altas que las que tienen el vidrio transparente y el sistema de sombreado. La diferencia en las cargas de enfriamiento puede alcanzar hasta el 40%. Además, la temperatura radiante media percibida en el caso de las mallas y rejillas, es de 3-4 ° C más alta que en el vidrio. También se realizaron estudios paramétricos sobre la variación de las ganancias solares, para definir la dependencia de la reflectancia solar del recubrimiento del cableado metálico; los resultados muestran que durante los meses Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 34 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez de verano, la incidencia de la reflectancia solar es mayor que en los meses de invierno. Con todo lo estudiado parece que queda clara la importancia de trabajar en este ámbito, y las líneas generales de conocimiento que se han desarrollado hasta el momento. Después del repaso realizado sobre las distintas protecciones solares de forma genérica; y la profundización en el conocimiento del funcionamiento de las pantallas solares perforadas y las chapas y mallas perforas, es necesario para poder realizar un estudio y un análisis propio en el trabajo, conocer los métodos de trabajo actuales, los programas, las herramientas y los condicionantes. Por este motivo se desarrolla a continuación una búsqueda sobre aspectos más técnicos para realizar mediciones y simulaciones virtuales. Al introducirnos en el campo de la simulación en conveniente conocer algo sobre lo que se está hablando actualmente en este sentido; Carlos E. Ochoa sostiene en (Ochoa, 2012) que las simulaciones de iluminación para la construcción han avanzado rápidamente en las dos últimas décadas. En 1995, todavía había informes sobre deficiencias en de la precisión, se calculaba con pocos parámetros, los tiempos de cálculo eran largos, los escenarios simples y existía una desconexión general en la simulación. Estos aspectos han sido abordados con formas más adecuadas de simulación de iluminación en los modelos actuales. Una excepción es la importación y exportación de los modelos, tema que debe tratarse en próximas investigaciones Algunos aspectos sobre predicción de iluminación, aunque todavía es complejo, se han incorporado en algunos productos utilizados por un público más amplio de diseño, como en el programa 3D Studio. Esto proporciona una dirección interesante para integrar el modelado espacial y la simulación de iluminación. Resulta difícil simular aspectos reales con elemento sencillos para el usuario, por esto muchos de los parámetros se encuentran muy simplificados, por ejemplo los problemas que requieren enfoques dinámicos se resuelven a través de la división en pasos cortos y rápidos. Se ha visto a partir de la literatura que ha tratado el tema, que la exactitud entre lo medido y lo simulado es muy baja, se mantiene en torno al 20%. Adquirir mediciones fiables de reflectividad del entorno es muy complejo, así como reproducir las condiciones de cielo del entorno. En todo este proceso de mejora, es muy importante la manera en como los usuarios introducen los datos, y esto a su vez es clave para el tipo de resultados que se obtienen. Para mejorar este aspecto serán necesarias funciones que contemplen la reflexión y la transmitancia. Cabe destacar la importancia de la simulación de iluminación en las imágenes HDR (imágenes de alto rendimiento, render), aunque es un proceso muy complejo ya que conlleva la simulación de la iluminación del edifico completo. Pocos modelos de simulación de iluminación se pueden usar de forma fiable y como soporte del proceso de diseño en arquitectura, son necesarias más investigaciones para llegar a soluciones realmente fiables que integren en el proceso de construcción toda la simulación; y avanzar en estos aspectos requiere importantes inversiones de tiempo, Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 35 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez dinero y recursos humanos, el beneficio debe ser palpable, para no convertirse en iniciativas de investigación estancadas. Se introducen a continuación, algunos criterios básicos para la realización de mediciones; según Andrea Pattini, en (Pattini, 2002), la Comisión Internacional de Iluminación, designó el año 1991, como el año internacional de la edición de la luz natural, estableciendo tres categorías de medición: la básica, la general y la de Investigación. En las dos primeras, las principales cantidades medidas son iluminancia y radiación, mientras que en la Investigación, se realiza una recolección continua de la distribución de luminancia de cielo, de iluminancia, radiación y otros datos meteorológicos. Por otro lado cabe destacar los distintos tipos de cielo que se considera: cielo cubierto, cielo parcialmente despejado, y el cielo claro, aparecen distintas definiciones según CIBSE, Estandarización Británica, IESNA, o Estandarización Norteamericana. En cualquier caso, se muestra una definición para cada uno que, según Andrea Pattini valdría en todos los casos. El cielo cubierto, un cielo de luminancias uniformemente distribuidas, o cielo informe, supone una capa de nubes blancas de espesor constante; por tanto su distribución de luminancias es constante. Figura 23: Distribución de luminancia de un cielo uniforme (Pattini, 2002). El cielo parcialmente despejado, es más difícil de predecir, por la gran variabilidad que presenta; por lo que no existe un modelo específico simple. El cielo claro implica una bóveda celeste donde el sol no está obstruido por las nubes. Su relación de luminancias es de 1 en el horizonte a 0.5 en cenit. Figura 24: Distribución de luminancia de un cielo claro (Pattini, 2002). Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 36 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Se definen a continuación los términos claves para entender los aspectos que se están trabajando, basados en la Guía Técnica del (Comité Español de la Iluminación e Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2005) y en la tesis Andrea Pattini, (Pattini, 2002). Se entiende por radiación solar, la radiación electromagnética procedente del sol; mientras que, por radiación solar directa entendemos la parte de radiación solar extraterrestre que alcanza la superficie de la tierra en forma de haz colimado, después de la atenuación selectiva por la atmósfera. La radiación difusa del cielo, es la parte de la radiación solar que alcanza la superficie de la tierra como resultado de ser difractada por las moléculas de aire, partículas de aerosoles, de nubes u otras partículas. Como combinación de la radicación solar directa y la difusa del cielo, se obtiene la radiación solar global. La luz solar por otro lado, es la parte visible de la radiación solar directa. La luz del cielo es la parte visible de la radiación difusa del cielo. Y la luz natural o luz día, es la parte visible de la radiación solar global. La luz natural difusa, es aquella que tiene aproximadamente la misma intensidad en todas direcciones, proveniente de la bóveda celeste sin considerar el sol. Se llama luz solar directa a la porción de luz natural que incide en un lugar específico, proveniente directamente desde el sol. Mientras que por luz solar indirecta se entiende como, la que llega a un espacio determinado por reflexión generalmente en muros, suelos o cubiertas. La luminancia es la relación entre, un flujo luminoso transmitido por un haz elemental que pasa por un punto dado y se propaga en un ángulo sólido que contiene a la dirección dada, y el área de una sección de ese haz que contiene el punto dado, “luz procedente de los objetos”. Y la iluminancia, contiene el flujo luminoso incidente sobre un elemento de la superficie que contiene el punto, por el área de ese elemento. Una vez aclarados los conceptos, buscamos referencias sobre cómo realizar la medición, el protocolo de Morad R. Atif, (Atif, 1997), establece algunos aspectos básicos, en este caso se resumen aquellos que pueden tener mayor interés en este estudio: - Presentación de la medición: Debe incluir una semana de medición en el espacio seleccionado, en horizontal. Debe realizarse cercano al 21 de Junio, 21 de Diciembre y 21 de Septiembre o Marzo. Con seguridad la medición tiene que realizarse al menos en las estaciones de verano e invierno; además de un día adicional con cielo nublado. La medición en vertical se realizará para espacios en edificios del tipo Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 37 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez museo, clases, salas de proyección…La medición se realizará con la luz apagada; además deberá medirse de noche con la luz encendida. A lo largo de una semana se tomarán datos de iluminación horizontal en el exterior. Un mes de monitorización sobre el consumo eléctrico en el interior del espacio, para verano y para invierno - Selección de los puntos de medición (oficina privada o similar): Con una ventana lateral, no debe de haber más de dos puntos de medición por zona de iluminación natural, (suelen existir 3; la cercana a la ventana, la intermedia y la lejana) Al menos uno de los puntos debe realizarse a la altura del plano de trabajo, sobre 75cm. Los puntos cercanos a los laterales, deben separarse al menos 1 metros de las paredes, y medirse a la altura del plano de trabajo. - Medición de iluminación: Las medidas de iluminación del espacio seleccionado, deben realizarse durante períodos de 3 a 7 días consecutivos, sobre las fechas antes comentadas. Las mediciones se tomarán cada dos horas; empezando a las 8:00, hasta las 18:00, más una a las 20:00; o empezando a las 9:00, hasta las 15:00, más una a las 19:00. Las condiciones de cielo deben quedar referenciadas. Y en todos los casos debe medirse iluminación global interior y exterior. Al tratarse de una medición real en la que las condiciones son dinámicas, y más en el caso de la existencia de ocupantes que puedan distorsionar la medición, se recomienda que las mediciones duren aproximadamente 4 minutos. Una vez empezamos a introducir el conocimiento para el desarrollo de un modelo virtual, debemos saber que al hacer comparaciones entre los medidos reales, y los obtenidos de las simulaciones; existen diferencias, que deben asumirse y calibrarse en el modelo, debidas a distintos tipos de errores. Existe un texto de Anothai Thanachareonkit, (Thanachareonkit, 2010), donde se habla de sistemas de ventanas compuestas, cuyos resultados sobre los errores o diferencias entre los modelos virtuales y los reales, este artículo expone que los sistemas de ventanas compuestas (CFS) son sistemas de iluminación natural avanzados que están hoy en día disponibles para la arquitectura, a pesar de que algunos de ellos están todavía en la etapa de desarrollo. Los CFS tienen diferentes objetivos: redirigir la luz natural hacia una habitación a fin de optimizar el ambiente luminoso, fomentar el flujo de luz natural en el plano de trabajo y mejorar el confort visual reduciendo los riesgos de deslumbramiento. Por tanto, es necesario que los investigadores y los arquitectos tengan herramientas de diseño precisas para poder evaluar adecuadamente la actuación de los CFS con luz natural. En estos casos, los modelos físicos y virtuales son extremadamente útiles, y más concretamente cuando se usan CFS. Los modelos juegan un papel importante en la toma de decisiones a lo largo de las diferentes etapas del desarrollo del proyecto, desde el diseño esquemático hasta la presentación del proyecto Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 38 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez arquitectónico. Tanto los modelos físicos (más primarios) como los virtuales, suponen un apoyo importante en la evaluación de la actuación de los CFS con luz natural. Sin embargo, algunos estudios recientes han mostrado que existe una tendencia de sobreestimación de los modelos virtuales, frente a los reales. El objetivo del estudio de Anothai Thanachareonkit, es hacer una lista y analizar cómo los modelos físicos y virtuales ofrecen una evaluación de la actuación con luz natural, distinta a las de los edificios reales teniendo en cuenta los CFS. Para ello, se determinaron y compararon cuidadosamente tanto el factor de luz natural (para cielo nublado) como el ratio de iluminancia (para cielo despejado/intermedio), evaluados en el edificio real y en los modelos correspondientes. Para lograr que los modelos reprodujeran de manera precisa el entorno de iluminación correspondiente se identificaron las principales causas de los errores en la evaluación del rendimiento de la iluminación natural y su impacto en la exactitud cuantificada del modelo. De forma resumida se muestran las conclusiones obtenidas que más pueden afectar a la hora de la comparativa entre modelos físicos, virtuales y edificios reales. (PDF, factor de luz parcial, permite una mejor simulación del cielo artificial). (CIE, Commission Internationale de l’Eclairage, 2003) -Caso 1: Modelo físico a escala, con cielo real. Diferencia: modelado. Fuentes de errores: Propiedades geométricas, propiedades fotométricas, sensores fotométricos, escala del sistema. -Caso 2: Modelo físico a escala, con cielo simulado, cielo estándar CIE Diferencia: modelado, valores de luminancia del cielo, simulación de luz natural. Fuentes de errores: Propiedades geométricas, propiedades fotométricas, sensores fotométricos, escala del sistema, distribución de luminancia del cielo, definición del cielo. -Caso 3: Modelo físico a escala, con cielo simulado, cielo método PDF. Diferencia: modelado, valores de luminancia del cielo, simulación de luz natural. Fuentes de errores: Propiedades geométricas, propiedades fotométricas, sensores fotométricos, escala del sistema, distribución de luminancia del cielo, definición del cielo. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 39 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez -Caso 4: Modelo virtual, con cielo estándar (simulación GenSky). Diferencia: modelado, valores de luminancia del cielo, simulación de luz natural. Fuentes de errores: Propiedades geométricas, propiedades fotométricas, propiedades del sistema, distribución de luminancia del cielo, tipo de cielo. -Caso 5: Modelo virtual, con cielo simulado, cielo método PDF. Diferencia: modelado, valores de luminancia del cielo, simulación de luz natural. Fuentes de errores: Propiedades geométricas, propiedades fotométricas, propiedades del sistema, distribución de luminancia del cielo, definición del cielo. Además de eso, se llevó a cabo un análisis de sensibilidad de algunas de las principales fuentes de error con el fin proporcionar directrices a los diseñadores. El análisis realizado permite esbozar algunas sugerencias y pautas para seguir a la hora de diseñar. Además ha sido completado con los observado en el estudio de Diego I. Ibarra, (Ibarra, 2009). -Detalles en el modelado: Además de la escala, en los modelos, ya sean físicos o virtuales, hay detalles importantes de reproducir, aunque sean de pequeña escala, normalmente estos últimos suelen obviarse debido a la limitación de tiempo y la dificultad de modelado que tiene, sin embargo pueden llevar a importantes errores. Por este motivo se recomienda implementar con los marcos en las ventanas o los parteluces. Son elementos que pueden redirigir la luz o producir sombras. Realizar los muros con sus espesores reales es un factor también condicionante, no dejarlos como planos. Y por supuesto, la incorporación de los elementos del entorno - Materiales del modelo: La selección incorrecta de materiales puede llevar a importantes errores en los modelos físicos. Las propiedades fotométricas superficiales de los materiales son de gran importancia, es importante asegurar la reflectancia precisa de las superficies, especialmente en los espacios interiores donde la luz debe reflejarse. Con cielo nublado los resultados aún empeoran, ya que la componente de radiación directa es más débil. Los materiales deben introducirse siempre conocido el valor más cercano a la realidad (Radiance, te permite de forma sencilla introducir el valor de reflectancia del material). Los errores causados por reflectancia son especialmente frecuentes, en el fondo de la sala en los modelos virtuales. - Materiales del acristalamiento: Al ser el medio por el cuál entra la luz en el edifico, las ventanas juegan un papel muy importante. No solo deben ser exactos los detalles y las dimensiones, sino Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 40 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez el material de acristalamiento, especialmente en un modelo físico que es construido. Si la ventana tiene una transmitancia inadecuada, se generan importantes errores en el modelo. Es importante para los dobles y triples acristalamientos a escala, buscar la forma de representar ese espesor que el vidrio termina adquiriendo. En los virtuales estos detalles son más fáciles de simular, pero no deben ser olvidados. - Simulación de la luz natural: Las condiciones de cielo real, son la opción más recomendable, factible para los modelos físicos, no en los virtuales; pero, hay que recordar que las condiciones del cielo real son dinámicas, por lo que requieren un mayor número de mediciones. Para evitar las dificultades dinámicas del cielo natural, es posible simular uno artificial, aunque los errores vendrán como consecuencia de las subdivisiones (necesarias para definir el elemento, a más subdivisiones mejor definición, mayores tiempos de cálculo), nunca alcanzan la definición del cielo real, y dan una distribución de luminancia continua. En los modelos virtuales, para la simulación de la luz del día se usa la norma CIE, en general los programas actuales utilizan simuladores para luz natural, que son bastante fiables. Pasamos al apartado de programas para las simulaciones. El artículo de Christoph F. Reinhart, (Reinhart, 2001), discute la fiabilidad para la simulación de luz dinámica natural, del método presentado por Reinhart y Herkel; si este, es capaz de modelar la dinámica en pequeños pasos de la distribución de la luz interior a gran escala en una oficina, basada en radiación directa e indirecta. El método se conoce como DAYSIM. DAYSIM es una herramienta de simulación de luz de día basada en Radiance, que utiliza los coeficientes de luz natural de acuerdo al modelo de cielo iluminado de Tregenza y de Perez. Radiance es un trazador de rayos, que utiliza un cielo nublado estándar, y realiza una simulación de forma estática. Este programa ha sido desarrollado por Greg Ward, en Laboratorio Nacional Lawrence Berkely. Aunque ha sido desarrollado originalmente para condiciones sencillas de cielo, existen varios intentos para predecir iluminancias interiores en múltiples condiciones de cielo. Se ha demostrado que DAYSIM, supera a otros métodos de simulación en tiempos y precisiones; por eso este estudio se centra en contrastar la validez de los resultados con respecto a la realidad, teniendo de base la geometría del edificio estudiado, las propiedades de los materiales de las distintas superficies y la radiación directa y difusa. Anteriormente se había presentado una validación de RADIANCE-based para simulaciones de iluminación interior, en el que utilizó datos reales de cielos para describir la distribución de la luminancia del hemisferio celeste incluyendo el sol. La simulación muestran lo bien que el algoritmo de trazado de rayos Radiance puede modelar iluminancias interiores en condiciones de cielo perfectamente controladas. A continuación se muestran los resultados obtenidos por ámbitos: - Modos de asignación: Cuando el punto de interés está relacionado con la iluminación solar directa, produce simulaciones fiables de la dinámica de cortos periodos de tiempo, de Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 41 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez iluminancias interiores bajo condiciones de cielo arbitrarias. El test de sombra sólo se debe utilizar cuando se investiga la aparición de deslumbramiento debido a la luz solar directa. - Precisión en iluminancias interiores: Se ha encontrado que la precisión depende muy ligeramente de la configuración de la persiana o de la condición de cielo. - Detalles del entorno: La calidad de los resultados de la simulación de luz depende de manera decisiva de si los detalles del paisaje circundante se modelan adecuadamente. La necesidad de modelar cuidadosamente el paisaje circundante se da igualmente para las simulaciones de luz dinámicas y estáticas. - Modelo de cielo: Un análisis muestras que los errores de simulación son causados a partes aproximadamente iguales por los errores del modelo de cielo y el efecto combinado del método de coeficiente de luz del día, el algoritmo de trazado de rayos y el modelo de CAD. - Autonomía de la luz del día e iluminación artificial Los resultados del estudio sugieren que la autonomía anual luz del día, se puede predecir con relativa precisión a partir de unos pocos puntos. La demanda de iluminación artificial se puede predecir con una precisión similar bajo las mismas hipótesis. Todos estos puntos mencionados sugieren que los métodos dinámicos, de simulación de luz natural basados en Radiance, que utilizan el concepto de coeficientes de luz son capaces de modelar de forma eficiente y con precisión los elementos de iluminación natural complicados. Los esfuerzos de planificación extra por el arquitecto o ingeniero para ejecutar una simulación de la luz del día dinámica, en lugar de llevar a cabo un cálculo simple del factor de luz natural, son limitados una vez que se tiene introducido el modelo en el programa. El esfuerzo adicional se compensa con información adicional sobre la situación de iluminación en el interior del futuro edificio, como la predicción de la autonomía de luz del día y la detección de deslumbramiento directo y las variaciones de iluminancia inquietantes. Para aprovechar al máximo el poder de este tipo de herramientas de simulación en el proceso de diseño, es imprescindible contar con los datos de entrada de irradiación directa y difusa a corto plazo. Estos aspectos, tanto los teóricos de evolución de las protecciones solares y sus configuraciones, como los más técnicos de mediciones y simulaciones recopilados, permitirán el desarrollo del caso de estudio que se propone en el siguiente apartado. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 48 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez - Particiones interiores: Espesor final 15 cm. Acabado a ambos lados de placa de yeso con acabado en vinilo crema claro. - Vidrios: Espesor final 26mm, compuesto por luna interior templado de 10mm, cámara de 6mm y vidrio laminar stadip 5+5. Carpintería de haya vaporizada. - Carpinterías: Aluminio Technal anodizado inoxidable. - Suelo *: Mármol serpegeante italiano de 40x60 cm y 2cm de espesor. Color crema veteado. Coeficiente de absorción,(% en peso) 0.32, (% en volumen) 0.73 - Techos: Falso techo continúo de placas de yeso prefabricado, acabado con pintura blanca. - Puertas: Hoja modelo Sandwich, maciza de poliestireno, acabada en estratificado de alta presión de 3mm. Color madera clara. - Espesor total desde falso techo hasta solería terminada de planta superior, 83 cm. - Lamas horizontales: lamas metálicas de acero inoxidable. *La información sobre el coeficiente de absorción se recoge en la ficha técnica obtenida de (AA.VV, 2015). A continuación se presenta la planimetría acotada con la que desarrollará el modelo. Alzado Suroeste: Figura 30: Alzado acotado Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 49 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Planta general, plano de fachada y elementos del entorno: Figura 31: planta general acotada. En la parte inferior se muestra la línea de alzado, en referencia a los elementos del entorno Plantas de habitaciones: Figura 32: Plantas de habitaciones donde se realizarán las mediciones acotadas. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 50 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 3.5.2 Campaña de mediciones En este apartado se muestran los aspectos a medir in situ en la visita, para ver cómo afectan la malla y el vidrio colocado, en el interior de las habitaciones. De las tres categorías de medición en este caso para el trabajo que se está llevando a cabo, se opta por la básica; por esto, se medirá iluminancia y radiación. Además a la hora de realizar las mediciones, se opta por realizarlas en un día de cielo claro, ya que es el más representativo dentro de una campaña completa de medición. En la figura 33 se muestra una imagen del día de la medición (17-06-2015), se aprecia ese cielo claro. Figura 33: Foto tomada in situ, el día de la medición (17-05-15) a las 14:15. Todo el proceso de medición expuesto en el estado de la cuestión y en la metodología, no puede llevarse a cabo por la brevedad temporal para el desarrollo del trabajo, por lo que se realiza una sola visita, la cual se programa para que al menos coincida con una de las fechas en las que deben llevarse a cabo las mediciones, Junio, cerca del 21 y en un día claro. Una vez con los datos previos y el conocimiento de los instrumento; se realiza la visita el día 17 de Junio de 2.015. Las medidas se toman en los puntos marcados en el plano a continuación, a las distancias marcadas y a la altura establecida de 80cm desde el suelo. Ambos medidores (luxúmetro y radiómetro) se colocan paralelos y orientados hacia arriba, (midiendo en Z positivo), garantizando que no hay obstáculos entre las ventanas y los medidores, para que los datos no queden desvirtuados. Se ha decidido medir en 4 zonas distintas, una de ellas para poder obtener datos concretos de la malla, y las otras 3 en habitaciones, una por cada planta por tratarse de los espacios más representativos de este edificio de carácter hospitalario (se intenta dentro de la disponibilidad del edificio medir en habitaciones de la misma vertical): - Planta primera: Medición exterior fuera de la malla, medición exterior dentro de la malla, medición interior con malla y vidrio. - Planta segunda: Medición interior en habitación 111, según malla estipulada. - Planta tercera: Medición interior en habitación 215, según malla estipulada. - Planta cuarta: Medición interior en habitación 316, según malla estipulada, y por exterior e interior del vidrio. *plano en la siguiente página. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 51 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 52 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 3.5.3 Simulación informática Siguiendo la metodología expuesta, utilizamos Ecotec para realizar el modelo en 3D, en el que se incluyen: las tres habitaciones en las que se realizan las mediciones, la fachada sur completa con la malla, los edificios del entorno cercano y la protección solar horizontal adicional que aparece en planta cuarta (figura 35). Figura 34: Vista del modelo extraída desde Ecotec. Figura 35: Detalle lamas inclinadas 30º en plata cuarta. Obtenida de Ecotec. Además Ecotec, también nos proporcionada análisis de soleamiento, con el uso de la proyección estereográfica, y lo rodaremos en Daysim para calcular, con el apoyo de Radiance. Pasos a seguir en Ecotec: 1º: Introducción de los datos climáticos, configuración de los mismos. Se trabaja con el archivo climático de Sevilla. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 53 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 2º: Introducción de los materiales. A la hora de introducir el modelo en Ecotec se han asimilado los materiales reales en el programa con las siguientes características: Techo Puertas Suelo Grava Suelo terraza U-Valor (W/m2K) 5,16 3,31 2,56 2,56 2,56 Admisión (W/m2K) 4,96 0,87 4,2 4,2 4,2 Absorción solar (0-1) 0,248 0,406 0,47 0,25 0,73 Transparencia (0-1) 0 0 0 0 0 Color (reflect.) Inter. y Exter. R:0,835 R:0,66 R:0,58 R:0,824 R:0,294 Especularidad 0 0 0 0 0 Lama Paredes S. Entorno Hierba Tejas U-Valor (W/m2K) 5,55 1,72 2,56 2,56 3,1 Admisión (W/m2K) 5,55 4,22 4,2 4,2 3,1 Absorción solar (0-1) 0,19 0,27 0,47 0,82 0,576 Transparencia (0-1) 0 0 0 0 0 Color (reflect.) Inter. y Exter. R:0,898 R:0,808 R:0,588 R:0,200 R:0,471 Especularidad 0 0 0 0 0 Tabla1: Configuración de materiales para Ecotec. El material techo, aplicado a los techos interiores de las habitaciones. El material puerta, aplicado a la puerta de acceso a las habitaciones y a las interiores de acceso a los baños. El material suelo, aplicado a los suelos interiores de las habitaciones. El material grava, aplicado al plano de suelo exterior del que nace la malla. El material suelo terraza, aplicado al plano de suelo exterior de la terraza de la cuarta planta. El material lama, aplicado a las lamas sobre la terraza de la planta cuarta. El material paredes, aplicado a paramentos verticales interiores y exteriores, de fachada y de entorno. El material S. Entorno, aplicado al suelo del entorno. El material Hierba, aplicado a los elementos del entorno que están cubiertos por vegetación. El material teja, aplicado a las cubiertas del entorno. Vidrio U-Valor (W/m2K) 1,50 Admisión (W/m2K) 60,00 Coef. Ganancia solar (0-1) 0,39 Transparencia (0-1) 0,27 índice de refracción vidrio 1,74 Color (reflect.) Inter. y Exter. R:0,502 Especularidad 0 Tabla 2: Configuración de vidrio para Ecotec. El material vidrio, aplicado a los vidrios de las habitaciones. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 54 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Malla medición Malla comercial Malla lama Malla texto U-Valor (W/m2K) 5,55 5,55 5,55 5,55 Admisión (W/m2K) 5,55 5,55 5,55 5,55 Absorción solar (0-1) 0,19 0,19 0,19 0,19 Transparencia (0-1) 0,068 0,621 0 0,46 Color (reflect.) Inter. y Exter. R:0,898 R:0,898 R:0,898 R:0,898 Especularidad 0 0 0 0 Tabla 3: Configuraciones de la malla para Ecotec. El material malla, tiene distintas configuraciones, ya que será necesario realizar distintos cálculos para poder calibrar el modelo, como se especificará en el siguiente apartado. 3º: Introducción del plano guía como formato .dxf (figuras 31 y 32). 4º: Levantamiento del modelo, con ayuda del resto de planimetría (figuras 28 y 30). 5º: Aplicación de los materiales en el modelo, a las distintas superficies, según lo establecido anteriormente en el paso 2. 6º: Creación de las mallas para realizar los cálculos en los interiores de las habitaciones, las definimos con las filas y columnas coincidentes con las realizadas en la medición, separadas 1m de la pared y a 0.80m del suelo 7º: Configuramos en Ecotec las preferencias generales, para que la biblioteca general de materiales por defecto sea la de Daysim; y el directorio de exportación de materiales, sea en la carpeta de materiales dentro de Daysim en el ordenador. Figura 36: Actualización de la librería de materiales y el directorio de Daysim Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 55 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 8º: Procedemos a la exportación conla configuración mostrada en la figura 37. Figura 37: Pantalla de exportación a Daysim. 9º: Una vez en Daysim, vinculamos de nuevo el archivo climático, en este caso como se ha configurado el entorno con materiales, dejamos el valor de reflectancia del suelo por defecto en 0.2. Por otro lado fijamos un período de medición cada 30 minutos, para obtener las horas cercanas a las que se midió in situ, tal como se muestra en la figura 38. Figura 38: Pantalla de configuración de Daysim. 10º: Después de esta configuración realizaremos dos cálculos para cada rejilla, es decir en cada habitación, tal y como se hizo en la tarea de campo; uno de iluminación (lux) y otro de radiación (W/m2). El cálculo se realiza con la escena de complejidad 2 (figura 39), para que los resultados sean un poco más finos. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 56 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Figura 39: Datos de la escena de complejidad 2. Después de todos los pasos necesarios, tanto en Ecotec (modelado); como en Daysim (cálculo), solo resta darle al botón de calcular y esperar los datos, los cuáles se obtienen en un documento de texto como valores temporales (cada 30min), tanto de iluminación (lux) como de radiación (W/m2). Estos datos deben filtrarse y procesarse, para obtener conclusiones y poder analizarlos. 3.5.4 Calibración del modelo virtual Para realizar la calibración, se lleva a cabo el cálculo en la habitación 111, que es la que se encuentra más centrada y afectada al 100% por la malla. Este cálculo se realiza de 4 formas distintas, en las que lo que varía es la configuración de la malla; puesto que es el material más difícil de simular, y el más importante para el estudio. De modo que los datos usados son los expuestos en las tablas 1 y 2, más los de la tabla 3 que son los que se varían en cada una de los 4 cálculos. Cuando se obtiene la información del cálculo en cada uno de los modelos, debe buscarse el día y la hora en que se realizó la medición para realizar la comparativa. El primer cálculo, se realiza con los datos de la malla según la medición realizada in situ; de la que se obtuvo un valor medido fuera de la malla de 993 W/m2, y por el interior de la malla de 68 W/m2, si calculamos la relación entre ambos datos: - (68/993)*100= 0.6 % Obtenemos que el momento de la medición la malla trabajaba como si tuviese un porcentaje de perforación del 6%. Este es el dato con el que se calcula. En la tabla 4 vemos como en comparación con los datos medidos in situ, la diferencia es muy grande, no puede usarse una medición puntual como guía para determinar el parámetro de apertura de la malla. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 57 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez El segundo cálculo, se realiza con los datos comerciales, facilitados por el fabricante, el cual refleja un porcentaje de perforación del 62.1%. Este cálculo da valores más aproximados, pero el error sigue siendo demasiado grande, queda claro que el porcentaje de perforación real solo se vería reflejado si e sol incidiese perpendicularmente a la malla, al tener distintas inclinaciones y ángulos, la repercusión de la mala varía. Resultados en la tabla 4. El tercer cálculo, se realiza asimilando la malla a unas lamas. Según las dimensiones facilitadas por el fabricante, se obtiene el ángulo que relaciona la el diámetro de las varillas, con la separación vertical entre ellas, y se escala para que tenga una dimensión asequible para el modelo. Figura 40: Modelo de Ecotec con la malla simulada como lamas. La varilla tiene un diámetro de 3mm, y existe una separación entre ellas de 74mm; se obtiene un ángulo de 11,45º. Manteniendo esta relación se escala el modelo; se colocan lamas de anchura 6cm, cada 29.6 cm. De nuevo los resultados obtenidos no son válidos, la diferencia es aún mayor en esta asimilación, en parte puede deberse a la falta de elementos verticales, que aumentarían el porcentaje opaco en la fachada. Puede concluirse, que la asimilación de este tipo de mallas a lamas no resulta posible. Resultados en la tabla 4. El cuarto cálculo, se realiza calibrando la malla según el documento de Andrea G. Mainini, (Mainini, 2014), que como ya se explicó en la literatura, hacía un estudio sobre esta malla, una con las mismas dimensiones; pero sin embargo, establecía un porcentaje de perforación del 46%. Al trabajar con este dato, al fin los valores son mucho más cercanos a lo medido in situ, en ocasiones coincidentes; por lo tanto, esta configuración de malla es la que finalmente se tomará para la realización del resto de cálculos. Resultados en la tabla 4 Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 64 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez - Marzo: Figura 48: Soleamiento en Marzo. De izquierda a derecha: 10:30, 13:30 y 16:30, hora local. La cruz marca la posición aproximada del cabecero de la cama. En la figura 48 se aprecia como la mancha solar ya no alcanza la zona media de la habitación, en las etapas intermedias del año la penetración existe pero no resultará molesta para el paciente, y el aumento de temperatura que pueda suponer, aún en esta época no debe ser molesto. Habitación 215: - Junio: Figura 49: Soleamiento en Junio. De izquierda a derecha: 10:30, 13:30 y 16:30, hora local. La cruz marca la posición aproximada del cabecero de la cama. En la figura 49, la situación se repite con respecto a la habitación 111. - Diciembre: Figura 50: Soleamiento en Diciembre. De izquierda a derecha: 10:30, 13:30 y 16:30, hora local. La cruz marca la posición aproximada del cabecero de la cama. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 65 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez En la figura 50, la situación se repite con respecto a la habitación 111. - Marzo: Figura 51: Soleamiento en Marzo. De izquierda a derecha: 10:30, 13:30 y 16:30, hora local. La cruz marca la posición aproximada del cabecero de la cama. En la figura 51, la situación se repite con respecto a la habitación 111. La habitación 316 también fue estudiada, pero los resultados son similares, y como la malla no afecta en este caso, no va a desarrollarse. - Repercusión anual: Una vez extrapolados los datos a lo largo del año, se introducen en una hoja de cálculo y se filtran, realizando las medianas por meses de los valores, tanto de iluminación como de radiación, y se realizan unas gráficas en las que veremos la evolución anual de cada uno de los seis puntos estudiados para las dos habitaciones con malla 111 y 215, y haremos una comparativa en la 111(la más centrada dentro del alzado, rodeada de malla) de la situación si no se hubiese colocado la malla. Figura 52: Puntos de medición por habitaciones. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 66 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez - Habitación 111, con malla. Gráfica 1: Evolución anual de iluminación (lux), en la habitación 111 con malla. - Habitación 111, sin malla. Gráfica 2: Evolución anual de iluminación (lux), en la habitación 111 sin malla. Como vemos en las gráficas el rango sin malla, para los valores de iluminación se amplía considerablemente. Mientras que con malla el rango va de un mínimo rondando los 300lux a un máximo sobre 1500lux; sin malla esto se amplía del mínimo sobre los 700lux al máximo de 4200lux. Por lo tanto en iluminación: los mínimos se reducen en un 57% aprox.; y los máximo en un 64% aprox, cuando se utiliza la mala. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 67 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez - Habitación 111, con malla. Gráfica 3: Evolución anual de radiación (W/m2), en la habitación 111 con malla. - Habitación 111, sin malla. Gráfica 4: Evolución anual de radiación (W/m2), en la habitación 111 sin malla. Un resultado similar al anterior. Con malla el rango va de 3 a 19 W/m2 aproximadamente; y sin malla, de 8 a 50 W/m2. Por lo tanto en radiación: los mínimos se reducen en un 62% aprox.; y los máximo en un 62% también, cuando se utiliza la malla. Como era de esperar la malla está reduciendo los valores de radiación e iluminación en el interior de los espacios, tamizando la luz. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 68 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Habitación 215, con malla. Gráfica 5: Evolución anual de iluminación (lux) en la habitación 215 con malla. Gráfica 6: Evolución anual de radiación (W/m2), en la habitación 215 con malla Los valores en esta habitación son más elevados que en la habitación de la planta inferior a pesar de tener la malla, seguramente el hecho de que la malla termine sobre los huecos de esta habitación afecta, y en las épocas de verano donde el sol está más inclinado, los valores aumentan. Además estos cambios se están produciendo para los puntos situados más cercanos a la ventana, en los intermedios y los profundos los máximos y mínimos son muy similares a los de la habitación. W/m2 Lux Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 69 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez Habitación 316, con malla. Gráfica 7: Evolución anual de iluminación (lux) en la habitación 316 con malla. Gráfica 8: Evolución anual de radiación (W/m2), en la habitación 316 con malla Los valores en esta habitación son los más bajos de los tres, como ya se ha explicado, en ella la malla no está actuando, pero si el sistema de lamas colocadas en horizontal sobre los dinteles de las ventanas. Además hay que resaltar que la dimensión de la habitación es distinta, por lo que cambia la distribución de los puntos, solo existen dos líneas de medición figura 52. Vemos que en las gráficas, las líneas se distribuyen de forma más homogénea, no existen esos picos de verano que vemos en las habitaciones con mallas. W/m2 Lux Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 70 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 5. CONCLUSIONES Después del análisis de resultados obtenidos se van a comentar por apartados las conclusiones obtenidas. - En primer lugar hacer referencia a la fiabilidad de los archivos climáticos con los que el programa Ecotec y Daysim trabajan, pues como se ha visto en los resultados, los datos en el día de la medición, coinciden de forma muy cercana con lo mostrado en el archivo climático. - En segundo lugar, mencionar el modelado, se ha simulado la malla de cuatro formas distintas, y vemos que por sus características, se hace difícil representarla en un modelo virtual. Los datos de mediciones, habría que realizar un estudio mucho más completo con mediciones prolongadas en el tiempo y obtener medias para saber a qué porcentaje de perforación podría asimilarse una malla en función de su porcentaje real, por que como ya vimos el porcentaje real, tampoco dio resultados muy cercanos a los obtenidos in situ. Y la asimilación a un sistema de lamas, también probado en el trabajo, en función de la relación de espesor de las varillas y separación entre ellas, no es tampoco una buena de simulación de este tipo de mallas. - En tercer lugar, las cartas estereográficas han mostrado, como a nivel de soleamiento interior, de mancha solar; la malla no está realizando ningún efecto, los resultados con y sin malla son iguales. Puede ser debido, tal como se expuso en la literatura, con el estudio de (Andrea G. Mainini, 2014), a que el factor de apertura de la malla no permite considerarla como protección solar, - En el apartado del soleamiento interior, se muestra que a pesar de que la malla no esté afectando, las condiciones de las habitaciones son aceptables, pues en los meses más fríos (cuan do el sol tiene un ángulo más horizontal), la penetración es mayor, llegando a solear casi toda la habitación. En los meses intermedios, esta mancha solar va disminuyendo, no afectando a la zona de las camas, quedándose en la banda más cercana a la ventana. Y para los meses más calurosos de verano la penetración es casi nula (el ángulo solar ayuda, ya que es más vertical). Estos resultados se obtienen casi por igual en ambas habitaciones, puesto que su posición es muy cercana tanto en horizontal como en vertical en el alzado del edificio, y porque su relación con la malla, que si es distinta, no está afectando. - Con los resultados de la repercusión a lo largo del año, se obtienen varias conclusiones; por un lado vemos la diferencia que existe entre las habitaciones 111 y 215, con respecto a la 316, en cuando a homogeneidad. En las dos primeras que tienen malla, se aprecia claramente una estratificación en las tres bandas en las que se ha medido; mientras que la tercera de ellas, cuya protección son las lamas, no la malla, la habitación tiene una evolución más constante y controlada, en la que todos los puntos varían de forma similar a lo largo del año. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 71 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez - La estratificación de las dos habitaciones con mallas además de estar muy definida, podemos destacar como los puntos más cercanos a la ventana se disparan respecto al resto, en los meses de invierno cuando el sol está más horizontal. La malla por su geometría da resultados distintos en función de la época, puesto que al tener tan poco espesor, cuando el sor pierde verticalidad, la atraviesa sin ser casi desviado. - Como se ha mostrado en la comparativa de la habitación 111, con y sin malla los niveles de radiación e iluminación se ven reducidos, la mayoría de las veces en más del 50%. Al tener menos radiación la temperatura será algo menor que si no existiese. La malla, está actuando como un filtro, pero no como un elemento de control solar. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 72 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 6. IDEAS PARA AMPLIAR EL TRABAJO DESARROLLADO Este trabajo, se ha centrado en el estudio de una malla usada como protección solar, se ha estudiado su forma de simulación y los resultados de iluminación y radiación en el interior de un edificio hospitalario. Un trabajo que profundice en la forma en la que simular este tipo de sistemas para que aquellos que quieran aplicarlos, sepan su verdadera repercusión en el edificio, sería de gran interés. Se han comparado resultados con y sin malla, sería interesante comparar estos resultados con los niveles recomendados para este tipo de edificios y ver en qué medida debe de completarse con iluminación artificial, o que exceso de iluminación natural existe. Por otro lado, y puesto que estas malas se están extendiendo tanto, sería interesante un estudio que se centrase en como completar estos sistemas para un correcto funcionamiento del edificio. Cuáles son los sistemas que pueden aplicarse para mantener la apariencia deseada obteniendo verdadero control solar. Escuela técnica superior de arquitectura, Sevilla. Trabajo Fin de Grado 73 Estudio sobre Protecciones Solares en Envolventes Raquel Jiménez Lupiáñez 7. 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