Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla)

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Autor: Daniel Castro Medina Tutor: Servando Álvarez Domínguez Co-tutora: María del Carmen Guerrero Delgado Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Autor: Daniel Castro Medina Director: Servando Álvarez Domínguez Catedrático de Universidad Codirectora: MCarmen Guerrero Delgado Investigadora Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v A mi familia A mis maestros vii Resumen El objetivo general del proyecto es la climatización de espacios abiertos utilizando distintas tecnologías de enfriamiento del aire y sistemas radiantes a partir de agua enfriada mediante técnicas naturales. Para ello, es necesario estudiar cómo funciona cada tecnología de forma independiente culminando el proyecto en la integración de todas ellas asociadas a cada espacio llevado a estudio. Esta integración de las tecnologías tiene como objetivo garantizar un confort térmico en los espacios acondicionados en la época estival de climas cálidos, cuyo consumo eléctrico de los distintos elementos involucrados debe ser compensada mediante la producción eléctrica a partir de paneles fotovoltaicos. A través de la modelización realizada para cada una de las tecnologías involucradas en la climatización de los espacios acondicionados, se ha podido determinar la influencia y el impacto de cada una de ellas en el acondicionamiento de dichos espacios y corroborar la integración de todas las que se presentan para alcanzar el objetivo. Mediante las simulaciones realizadas bajo las condiciones climáticas de un día tipo se garantiza el confort térmico de los asistentes en ambos espacios a estudio durante un periodo de cinco días consecutivos con una tasa de funcionamiento del 100% por lo que esto, certifica el potencial de enfriamiento de agua que se obtiene a partir de las técnicas naturales de disipación utilizadas. Por último, se concluye que un control inteligente de todos los elementos involucrados en el sistema reduce el consumo eléctrico necesario y se optimiza el acondicionamiento de los espacios. El presente trabajo se inicia con un capítulo introductorio, en el que se evidencia la necesidad de soluciones innovadoras de refrigeración y/o calefacción para mitigar el efecto del cambio climático debido a la alta demanda energética por parte de los edificios aumentando el uso de las energías renovables en detrimento de los combustibles fósiles. A continuación, en el capítulo dos, se presentan los objetivos generales de dicho trabajo fin de máster y la metodología desarrollada. En él se recoge aspectos generales del proyecto y de los datos climáticos utilizados para la simulación. En los capítulos tres y cuatro, se describe cada espacio acondicionado dentro del proyecto CartujaQanat como los modelos termodinámicos que rigen el funcionamiento de cada una de las tecnologías utilizadas en cada uno de ellos. Para terminar, el capítulo cinco contiene datos y conclusiones a cerca de las numerosas simulaciones realizadas que corroboran el uso de las distintas tecnologías y de un control inteligente como solución óptima. ix Índice Resumen vii Índice ix índice de Tablas xi Índice de Figuras xiii 1 Introducción 1 1.1 Problema y situación actual 1 1.2 Recursos energéticos naturales 2 1.2.1 Producción de frio 2 1.3 Proyecto Cartuja Qanat 3 1.4 Tecnologías innovadoras que desarrollar e integrar en el marco del proyecto Cartuja Qanat 5 1.4.1 Enfriamiento evaporativo y radiante de grandes masas de agua 5 1.4.2 Estanque de disipación 6 1.4.3 Enfriamiento del aire mediante conductos enterrados y sumergidos 7 1.4.4 Cobertura innovadora 8 1.4.5 Confinamiento y tratamiento del espacio adyacente bajo la cobertura 8 2 METODOLOGÍA 10 2.1 Objetivos 10 2.2 Esquema de la metodología 11 2.3 Objetivos y condiciones de diseño 12 2.4 Datos climáticos 13 3 Anfiteatro 15 3.1 Descripción del espacio 15 3.2 Modos de funcionamiento 17 3.3 Acondicionamiento y confinamiento del espacio 18 3.4 Modelo de simulación 20 3.4.1 Estanque 20 3.4.2 Depósito 24 3.4.3 Unidad de tratamiento de aire 24 3.4.4 Modelo postenfriamiento evaporativo 28 3.4.5 Cubierta dual 31 3.4.6 Cubierta radiante o “Ceiling” 33 4 Zoco 36 4.1 Acondicionamiento y confinamiento 37 4.2 Modelo de simulación 38 4.2.1 Qanats 38 4.2.2 Conductos enterrados 39 4.2.3 Conductos sumergidos 40 4.2.4 Barreras evaporativas 41 4.2.5 Cubierta radiante 41 4.2.6 Enfriamiento de disipación nocturna evaporativo sobre el acueducto 42 4.2.7 Lámina descendente sobre panel fotovoltáico 43 1 INTRODUCCIÓN l alto consumo de energía del sector de la construcción, el cambio climático y la pobreza energética son los principales problemas encontrados en el entorno construido en Europa [1]. Las ciudades se han convertido en una de las piedras angulares en la lucha contra el cambio climático debido a su creciente demanda de electricidad. Aunque en el pasado esto se cubría principalmente con el uso de combustibles fósiles en grandes centrales eléctricas centralizadas, el uso de energías renovables se está generalizando debido a su probada contribución para mitigar el calentamiento global y al hecho de que proporcionan fuentes de energía local, limpia y abundante. Los edificios son una parte fundamental de nuestra vida diaria, cuyos días transcurren en buena medida en su interior, ya estemos en casa, en el trabajo o en los locales de ocio. Los inmuebles de todo tipo (viviendas, lugares de trabajo, escuelas, hospitales, bibliotecas u otros edificios públicos) son, no obstante, los mayores consumidores de energía de la UE y se encuentran entre los principales emisores de dióxido de carbono. En su conjunto, los edificios son responsables del 40% del consumo energético de la UE y del 36% de las emisiones de gases de efecto invernadero, generadas principalmente durante su construcción, utilización, renovación y demolición [2]. El sector de la edificación se encuentra en fase de expansión, lo que hará aumentar el consumo de energía. Por ello, la reducción del consumo de energía y el uso de energía procedente de fuentes renovables en el sector de la edificación constituyen una parte importante de las medidas necesarias para reducir la dependencia energética de la Unión y las emisiones de gases de efecto invernadero. A pesar del aumento del consumo de electricidad en las ciudades, hay una parte de la población que es particularmente vulnerable. La pobreza energética se refiere a la situación en la que un hogar no puede mantener un nivel adecuado de confort térmico interior como consecuencia de una combinación de tres causas: bajos ingresos, altos precios de la energía o baja eficiencia energética de la vivienda. El problema de la pobreza energética se ha agravado en los últimos años, particularmente en España, debido a la crisis económica y al aumento de los precios de la energía [3]. Por último, frente al objetivo de combatir el cambio climático se presenta además el fenómeno de Isla de Calor Urbana (UHI), el cual es un problema mundial cada vez más importante [4]. Como causa de dicho efecto, durante los días cálidos y olas de calor la superficie urbana tiende a calentarse, lo que ocasiona un aumento de la temperatura del aire. Además, el problema de sobrecalentamiento al que se enfrentan los núcleos urbanos aumenta debido al cambio climático, el cual ha provocado un rápido incremento de los días calurosos y el clima extremo, aumentando extremadamente la demanda de refrigeración en los edificios [1], [5]. El aumento de la demanda de refrigeración conduce a un incremento del consumo de energía, lo que genera el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero. Estudios recientes han demostrado que, debido al aumento de temperatura esperada en el futuro, el consumo de energía mundial de refrigeración del sector residencial aumentará hasta un 34% en 2050 y un 61 % en 2100 [6], siendo incluso superior este último porcentaje en otros estudios centrados en la zona mediterránea [7]. En dicha línea, la utilización de técnicas naturales (NCT) en el acondicionamiento de edificios está llamando la atención debido al creciente interés en el ahorro de energía y la protección del medio ambiente. Para superar estos retos, Europa necesita una nueva estrategia de crecimiento que transforme la Unión en una economía moderna, eficiente en el uso de los recursos y competitiva. El “Pacto Verde Europeo” es la hoja de ruta para dotar a la Unión Europea de una economía sostenible. Alcanzar este objetivo exigirá que E Introducción 2 transformemos los retos climáticos y medioambientales en oportunidades en todos los ámbitos políticos y que logremos una transición justa e integradora para todos. Por lo tanto, la mejora de la eficiencia energética de los edificios así como la integración de energías renovables en el mismo será determinante para el ambicioso objetivo de conseguir la neutralidad en emisiones de carbono establecido para 2050 en el “Pacto Verde Europeo” [8]. La abundante cantidad de agua con la que contamos en el planeta tierra ha propiciado su uso en una de las aplicaciones que más atrae la atención de la población hoy en día, la refrigeración. El empleo de este recurso en sistemas de refrigeración no es algo actual, sino que ya en la época de los romanos se daba para la refrigeración de infraestructuras[9]. Este pueblo empleaba, por ejemplo, los acueductos como el que se puede ver en la Figura 1, a través de los cuales se transportaba el agua, para regar las paredes de las casas más pudientes de Roma y conservarlas a temperaturas moderadas durante el verano. Figura 1. Acueducto romano[10]. No obstante, el aumento de las necesidades de enfriamiento con las que contamos hoy en día es uno de los grandes motivos que han llevado al desarrollo del presente proyecto. Cabe destacar, que el proyecto se centra en la refrigeración de grandes espacios abiertos o poco confinados. 1.2.1 Producción de frio La producción de frio para la climatización de edificios de forma eficiente es posible mediante diferentes tecnologías. En dicha línea, el trabajo fin de máster centra el objetivo en el uso de técnicas naturales de acondicionamiento para el acondicionamiento de espacios urbanos. Los edificios y espacios urbanos intercambian energía de manera natural con el entorno que les rodea. Los elementos ambientales que intervienen en este mecanismo natural son el cielo, el aire, el agua y el terreno, que actúan como sumideros. El diseño energéticamente consciente está ligado al aprovechamiento de los recursos naturales del sitio donde se sitúa el edificio o área urbana a acondicionar: la energía solar, el viento, la temperatura ambiente, la humedad, el agua, la vegetación, etc. Las estrategias naturales para la refrigeración, consisten en técnicas pasivas de acondicionamiento para mantener el confort térmico sin consumo de energía [11]. Las reducciones de la temperatura interior llevada a cabo con técnicas pasivas de acondicionamiento se diferencian en el uso del agua o aire como fluido de disipación. El uso del aire se lleva a cabo en técnicas naturales de ventilación, preenfriamiento del aire del sistema de ventilación usando el terreno o el cielo como sumidero natural [12], [13] y en el uso de dicho aire preenfriado para la disipación de calor del espacio con sistemas térmicamente activados (TABS) [12], [14]. El alto calor específico del agua en comparación con el del aire hace que este fluido sea de especial interés en el uso de este como fluido caloportador. Este es capaz de transportar gran cantidad de calor con un caudal razonablemente bajo. Por lo que dada las mejores prestaciones del agua como fluido de transferencia de calor centramos el estudio en el agua como fluido de disipación. El uso del agua como fluido de disipación se lleva a cabo en sistemas donde la disipación de calor se realiza a través de elementos convencionales como fancoils y sistemas radiantes o en elementos innovadores como los sistemas térmicamente activados (TABS) [14]. En el uso de elementos de sistemas activados térmicamente resulta de especial relevancia el uso de materiales de cambio de fase (PCM) como una alternativa interesante al aumento de la inercia térmica del elemento de almacenamiento térmico [15]–[18]. Los sistemas mencionados anteriormente requieren agua fría para su funcionamiento. Dicha agua fría puede ser obtenida de diferentes formas: usando el terreno como sumidero natural [12], usando sistemas de enfriamiento evaporativo [19]–[22] y mediante la técnica de enfriamiento por radiación través de un panel radiante (“nocturnal radiative cooling”) [23]–[28]. El terreno como medio disipador ha sido usado ampliamente debido a su alta eficiencia y respeto al medio ambiente. Es bien sabido que la temperatura del suelo a una profundidad de aproximadamente 2.5 a 3 m permanece prácticamente constante y baja durante todo el año [29]. Sin embargo, dicha temperatura no es tan baja como la de los otros sumideros (temperatura de bulbo húmedo y temperatura de cielo). Además el terreno como medio disipador de calor puede presentar problemas de disponibilidad cuando se produzca la saturación térmica del mismo [30]. El enfriamiento evaporativo ha ganado popularidad en la última década debido a su simplicidad, bajo costo y uso de recursos naturales [11]. Su alta eficiencia de enfriamiento le convierte en una alternativa atractiva a los sistemas convencionales en climas cálidos y secos. Sin embargo, la pérdida de agua evaporada es un inconveniente dado el problema de crecimiento constante generalizado del consumo de agua en el mundo [31]. Además, la limitación del enfriamiento cuando se alcanza la saturación del aire puede provocar problemas de disponibilidad de dicho sumidero natural. El cielo, como disipador de calor, presenta mejores propiedades que los sumideros comentados anteriormente. Como recurso es ilimitado, siempre el cielo estará lo suficientemente frío para el uso de este como disipador de calor. El proyecto Cartuja Qanat es un proyecto de transformación urbana innovador a través de cual se fomentará el uso de la calle como dinamizador social, mejorándola e involucrando en esa transformación a todo el ecosistema de la ciudad (agentes públicos, privados y ciudadanos). Este nuevo modelo de gobernanza urbanística servirá de facilitador para la introducción de dichos modelos en su expansión por la ciudad para ir cambiando el aspecto y funcionalidad del concepto de calle y su evolución futura en los próximos 15 años. En él, se desarrollarán un conjunto de actuaciones y elementos que, integrados, actúan como dinamizadores sociales. Todo ello para mejorar la accesibilidad universal y conseguir que las intervenciones superficiales sobre la urbanización existente logren reconfigurar el urbanismo ejecutado. Se trata, por tanto, de una experiencia innovadora de diseño urbano que mejorará el confort ambiental, promoverá el intercambio social y promueve modelos sostenibles de crecimiento urbanístico. La iniciativa se enmarca en la estrategia de Sevilla en la lucha contra el cambio climático, que tiene dos líneas principales de actuación: desarrollar estrategias para adaptarse al cambio climático a nivel local, y reconocer el carácter vital de la arteria de las calles y barrios[32]. El proyecto Cartuja Qanat se desarrolla en la avenida Thomas Alva Edison. Dicha avenida se sitúa en la ciudad de Sevilla, concretamente en la isla de la Cartuja, donde tuvo lugar la exposición universal de 1992. Todas las edificaciones y espacios públicos de la isla de la Cartuja fueron creadas para la exposición Universal. Tras la finalización del evento, algunos pabellones fueron desmontados por los participantes en la exposición, pero la gran mayoría permanecen hoy en día. En la actualidad, la isla de la Cartuja abarca parte de la infraestructura de la universidad de Sevilla, así como numerosas empresas o instituciones con carácter científico – innovador. Introducción 4 Figura 2. Avenida Thomas Alva Edison A lo largo de los años el parque científico y tecnológico Cartuja ha ido creciendo, aprovechándose así la mayor parte de las edificaciones que se encuentra en la isla. Aun así, el objetivo principal sigue siendo alcanzar un mayor porcentaje de ocupación, por lo que el margen de crecimiento de dicho parque sigue siendo enorme. La Expo, no sólo dejó un entramado arquitectónico para el afincamiento empresarial, sino numerosos espacios públicos rodeados de densa vegetación que acompañado de técnicas de enfriamiento naturales innovadoras y pioneras en el mundo, combatían las temperaturas extremas que se registran en la ciudad de Sevilla durante la época estival. El costoso mantenimiento de los espacios públicos y la falta de fondos provocó que estos fueran abandonados, por lo que la vegetación y el mobiliario urbano se ha ido deteriorando a lo largo de los años, quedando totalmente en desuso por los habitantes de la ciudad de Sevilla. El proyecto Cartuja Qanat tiene como objetivo la rehabilitación y acondicionamiento térmico del anfiteatro ya existente, herencia de la Expo, y la creación de un nuevo espacio llamado Zoco. Ambos espacios presentan un área de acondicionamiento en el que se garantiza el confort térmico de los asistentes. En principio funcionan por separados con técnicas similares de enfriamiento, pero distinta operativa y volúmenes de acumulación. En la imagen siguiente se muestra el plano de la avenida facilitado por IDOM, en la cual se resalta los espacios involucrados en el presente proyecto. En él, se destaca la rehabilitación del acueducto, el uso del estanque como volumen de acumulación, el anfiteatro y la construcción del zoco en su ubicación real. Figura 3. Plano general Avenida Thomas Alva Edison facilitado por IDOM 1.4.1 Enfriamiento evaporativo y radiante de grandes masas de agua El enfriamiento evaporativo es una técnica que emplea el agua como refrigerante, debido a la demostrada eficacia de este medio a la hora de transmitir a la atmósfera el calor excedente, como explica M. Lamúa [33]. Durante la refrigeración de un determinado fluido, los sistemas que funcionan mediante enfriamiento evaporativo liberan el calor al ambiente a través del mecanismo de evaporación del agua, de donde proviene su nombre. El esquema de este proceso puede verse gráficamente en la siguiente imagen. Figura 4. Proceso de enfriamiento evaporativo [33]. Diversos estudios han sido analizados en los cuales se trata, de alguna manera u otra, el enfriamiento evaporativo con diferentes objetivos. W. He y col. [34], propone una mejora sobre el modelo estándar de enfriamiento evaporativo que consiste en la instalación de un sistema que pretrate el aire a la entrada del proceso, buscando reducir la humedad del mismo. Este sistema consiste en una deshumidificación de carrete motorizado, la cual se comprueba consigue un mayor efecto del enfriamiento evaporativo del sistema. Las conclusions sacadas por W. He y col. dejan abierta la puerta a una mayor penetración de este tipo de sistemas de refrigeración en el ámbito residencial. U. Berardi y col.[22], analizaron el efecto de añadir un sistema de enfriamiento evaporativo-radiante, tal y como el que se instalará sobre los paneles fotovoltáicos del zoco, junto con un intercambiador agua-aire, en aquellos edificios en los que se dispone de techos verdes (“green roofs”). El objetivo de la adición de estos dos sistemas a los techos verdes se encuentra en la búsqueda de mejoras que resuelvan la dependencia que tienen estos últimos con el clima y las cargas internas del edificio. Introducción 6 Figura 5. Sistema de enfriamiento evaporativo – radiante. Dentro del novedoso sistema proupesto por U. Berardi y col., el sistema de enfriamiento evaporativo-radiante tiene como misión reducir la temperatura del agua presente en el estanque en el que se produce el intercambio de calor agua-aire. Los resultados obtenidos del experimento, llevado a cabo en el sur de California, muestran los prometedores beneficios obtenidos tanto del sistema de enfriamiento, como del intercambiador aire-agua. Otro de los estudios analizados, directamente relacionado con el anterior, es el realizado por D. Kang y R. Strand [35]. Estos autores estudian la influencia de las condiciones del aire de suministro sobre un sistema de enfriamiento por evaporación pasiva de una corriente descendente. Para ello, se simuló el sistema de enfriamiento en dos climas distintos, uno cálido y seco, y el otro cálido y moderado (con mayor cantidad de humedad). Los resultados obtenidos de este análisis fueron el correcto comportamiento del sistema en ambos climas, de lo cual se dedujo que resultaba realmente eficiente su uso en cualquier tipo de ambiente. Por ultimo, A. Heidari y col. [36], tenían un claro objetivo, reducir la gran cantidad de agua que emplean los sistemas de enfriamiento evaporativo. Buscando así solución a uno de los grandes problemas a los que debía hacer frente este tipo de sistemas, el gran consumo de agua. En el citado artículo explican cómo, mediante la combinación de un sistema de enfriamiento evaporativo y una rueda de desecación, usaron la humedad del aire de escape como agua para el sistema de enfriamiento. Este mecanismo fue utilizado para la coproducción de agua y de refrigeración y se llevó a cabo la simulación del sistema en una población de Irán (clima cálido a la vez que húmedo), resultando una valoración positiva del uso de esta innovadora técnica. La física que constituye el enfriamiento evaporativo, definida en las líneas anteriores, es empleada de una forma innovadora en el proyecto presente. En el caso que se trata en este proyecto, se pretende utilizar esta técnica con el objetivo de enfriar el agua, por lo tanto, no interesa en sí la evaporación de esta, si no el enfriamiento que las gotas de agua puedan experimentar evaporándose la menor cantidad posible. 1.4.2 Estanque de disipación Uno de los componentes clave del sistema de enfriamiento evaporativo es el estanque de disipación. Sobre este elemento existen múltiples estudios y simulaciones experimentales, dedicadas a verificar o mejorar diversos aspectos relacionados con la estructura de este o con su disposición o eficiencia. Entre otros, se encuentran los que se comentan en este apartado. J. M. Almodovar y P. La Roche [37], simularon dos configuraciones de estanques de disipación de techo diferentes, dispuestas ambas junto con un intercambiador de calor aire-agua. La primera configuración consistía en un estanque de agua profunda, de 0.35 m, cubierto con un aislamiento flotante de poliestireno de 0.03 m de espesor y un sistema de rociado ubicado a 0.5 m por encima de él que funciona durante la noche. La segunda, se trataba de un estanque cubierto con una placa de aluminio separada por un espacio de aire de 0.1 m sobre un estanque, en este caso, de 0.1 m de profundidad. Se simularon ambas disposiciones en las mismas condiciones y se compararon, además, con un techo aislado. Como resultado se obtuvo que el rendimiento de enfriamiento mejora en el caso de que se disponga el estanque de techo. Además, este rendimiento mejoraba con el funcionamiento continuo del sistema, y no únicamente durante la noche. D. Pearlmutter y P. Berliner [38] trabajaron también sobre los estanques de techo. Estos autores optaron por una nueva configuración del estanque. Se trata de un sistema de estanque de techo “psicrométrico” para enfriamiento pasivo en regiones áridas, el cual se caracteriza por emplear una estructura de sombra elevada que permite el flujo libre de aire y maximiza la evaporación. Tras la simulación del sistema comentado, comprobaron su enorme potencial. R. Tang y Y. Etzion [39] continuaron con la investigación sobre los estanques de disipación dispuestos en el techo. En este caso, el estanque de disipación contaba con la novedad de disponer de bolsas de yute flotando sobre el agua. El rendimiento de enfriamiento en cuanto a temperatura del aire exterior y flujo de calor a través del techo hacia el estanque se comprobó ser mucho mayor que el rendimiento obtenido disponiendo únicamente de bolsas de yute humedecidas en el techo. La mejora al disponer del estanque se debe a la estratificación térmica que tiene lugar en el interior de este recipiente. Por último, A. Spanaki y col. [40], analizaron el efecto de enfriamiento pasivo conseguido con un estanque ventilado protegido a través de una capa reflectante. Los estudios de este estanque se llevaron a cabo en Grecia. 1.4.3 Enfriamiento del aire mediante conductos enterrados y sumergidos Esta tecnología tiene varios puntos clave: - Conductos enterrados bajo los Qanats. - Tratamiento del suelo para reducir la temperatura de la superficie mediante masas de agua como la contenida en los Qanats y materiales de alta conductividad. Esto garantiza que se convierta en un sumidero de calor o en el peor de los casos se reduce el sobrecalentamiento debido la temperatura exterior y la radiación. - Conductos sumergidos a lo largo de los Qanats obteniéndose una transferencia de calor entre el aire introducido y el agua de los Qanats. Es importante destacar que la profundidad es una variable clave en el diseño de esta solución, sin embargo, la solución es adaptable a baja profundidad si se garantiza un tratamiento de la superficie exterior. Una de las principales ventajas del enfriamiento del aire por medio de conductos enterrados es que permite controla la humedad del aire impulsado en los casos en los que se quiera garantizar un control de la humedad de cara a favorecer el confort. Se puede garantizar que en ciclos de operación diaria es posible descargar el calor acumulado en el terreno durante la noche gracias al sistema regenerativo del que se dispone a la entrada de estos. Esto garantiza la capacidad de enfriamiento del sistema durante las horas de operación requeridas. Introducción 8 Figura 6. Conductos enterrados. 1.4.4 Cobertura innovadora Esta cobertura solar innovadora consiste en la elección de materiales de baja absorción y alta reflexión, con un sistema de boquillas ornamentales que posibilitan su mojado. Este sistema con agua operará de manera automática cuando los sensores detecten la necesidad de enfriar la cubierta para garantizar las condiciones de confort impuestas en el anfiteatro. La limpieza se lleva a cabo gracias al continuo mojado de la cubierta textil por lo que se garantizan las propiedades de baja absorción y alta reflexión. Figura 7. Tipo cobertura de baja absorción Expo 92 1.4.5 Confinamiento y tratamiento del espacio adyacente bajo la cobertura Tratar el espacio público consiste en un paquete de soluciones que tienen como objetivo generar un grado de confinamiento óptimo, garantizando el movimiento de aire y una temperatura radiante adecuada para todas las superficies adyacentes al espacio tratado. Es por ello por lo que bajo esta solución aparecen vinculados: - Creación de espacios bajo el suelo como es el caso del zoco propuesto. En la propuesta se van a estudiar geometrías en forma de zoco (cuadradas o circulares) y áreas de paso rectangulares. El objetivo es confinar el espacio de trabajo bajo el terreno, tratando las superficies generadas en este nuevo espacio. - Vegetación. La vegetación es clave en los espacios adyacentes ya que absorbe la radiación solar y genera superficies frías (misma vegetación o espacios adyacentes). Figura 8. La importancia de la vegetación. - Estanques y surtidores. Los estanques y surtidores presentan multitud de ventajas. Entre ellas los surtidores inducen el movimiento del aire y pueden ser adaptables (diferentes tamaños de gota pulverización o micronización, en función de si lo que se quiere es crear una barrera de agua fría o enfriar el aire colindante por evaporación). Figura 9. Surtidores Anfiteatro 16 Figura 13. Imagen exterior anfiteatro actualidad Es de especial interés analizar el entorno del espacio, en el cual se aprecian numerosos cipreses (ilustración 3) para evitar así la radiación solar directa y disminuir el flujo de aire que se introduce en el espacio confinado, garantizando unas mejores condiciones de confort dentro del anfiteatro. Actualmente presenta un volumen de vegetación insuficiente para dicha funcionalidad, aunque actualmente, se continua con el cuidado de dicha fauna con el objetivo de conserva las zonas verdes. Figura 14. Imagen interior lateral anfiteatro actulidad En el siguiente esquema se desglosa los distintos modos de funcionamiento, volúmenes de acumulación y tecnologías de enfriamiento del anfiteatro. Figura 15. Esquema modos de funcionamiento anfiteatro El anfiteatro dispone de dos volúmenes de acumulación, estanque y depósito. Cada uno de los volúmenes de acumulación presentan (línea azul) las técnicas de enfriamiento natural utilizadas. En rojo, los equipos o tecnologías de enfriamiento de aire que implican absorción de calor por parte de los volúmenes de acumulación. El sistema de postenfriamiento no genera incremento de calor en los volúmenes ya que el agua utilizada proviene directamente de la red de abastecimiento. Una de las variantes de estudio es sustituir el depósito e introducir una bomba de calor cuyo caudal provenga directamente de los qanats o utilizando un circuito cerrado de agua. En caso de que la batería 2 se disponga de agua proveniente de una bomba de calor, es posible suprimir ambos sistemas de enfriamiento natural propuesto para el depósito ya que no serían necesarios. A partir de los elementos del diagrama, es posible valorar los distintos modos de funcionamiento teórico que pueden darse. En el siguiente epígrafe se recogen las posibles combinaciones. 1. Espacio acondicionado del anfiteatro aclimatado únicamente por el volumen de acumulación del estanque. Esto implica que sólo funciona la batería asociada al estanque, mientras que la batería número 2 asociada al agua del depósito o a la bomba de calor se encuentra apagada. Este acondicionamiento solo es posible en días en los cuales el nivel de utilización de la instalación es muy reducido y las condiciones climáticas muy similares a las impuestas como objetivo para satisfacer el confort térmico. 2. Utilización de la batería asociada al estanque y el sistema evaporativo colocado a la salida de la unidad de tratamiento de aire. A diferencia del caso anterior, con esta configuración se obtiene una menor temperatura del aire de impulsión por lo que se puede garantizar durante un periodo prolongado en el tiempo mientras que las condiciones climáticas estén en torno a las impuesta en el diseño. La contrapartida del uso de evaporativo es un incremento en la humedad relativa del espacio lo que va en detrimento del confort térmico si alcanza altos valores. 3. Ambas baterías en funcionamiento con agua proveniente del estanque y del depósito. Dicha configuración otorga un enfriamiento sensible que garantiza que no se obtenga niveles elevados de humedad relativa. Esta configuración es válida para múltiples días en los que las temperaturas sean Anfiteatro 18 elevadas, próximas a las críticas del día tipo, y cuya tasa de funcionamiento de la instalación sea menor al 100%. 4. Ambas baterías en funcionamiento con agua proveniente del estanque y de la bomba de calor. La configuración presente es válida para cualquier día en función de la potencia de enfriamiento que sea capaz de suministrar la bomba de calor seleccionada. Por contrapartida, el uso de la bomba de calor implica un alto consumo eléctrico y renuncia al objetivo principal del proyecto que es la utilización de técnicas naturales para el enfriamiento del agua que será utilizado para disipar el aire a introducir en el espacio confinado. 5. Ambas baterías en funcionamiento más la utilización del postenfriamiento evaporativo. Esta configuración resulta óptima para 5 días de funcionamiento consecutivos del día tipo con temperaturas críticas y tasa de funcionamiento del 100%. El postenfriamiento evaporativo marca la diferencia entre cumplir las condiciones de diseño impuestas o estar fuera de rango de la temperatura de consigna del recinto por un periodo de tiempo determinado comprendido entre las horas de mayor temperatura exterior. El anfiteatro presenta un volumen de acondicionamiento de aproximadamente 930 𝑚3 que corresponde con el volumen del anfiteatro desde el nivel del suelo hasta su profundidad máxima. El resto de las gradas que quedan por encima del nivel del suelo no están acondicionadas por lo que no se garantiza el confort térmico. A continuación, se presentan los dos grados de confinamiento utilizados y los resultados obtenidos por simulación CFD: Figura 16. Modelos CFD grados de confinamiento Para cada velocidad de viento estudiada se obtiene un ACH equivalente en función del grado de confinamiento que se aplique. CONFINAMIENTO III CONFINAMIENTO IV. SÓLO ENTRADA LATERAL VELOCIDAD DEL VIENTO ACH ACH 2 4.48 2.72 4 5.12 3.20 6 5.73 3.58 Anfiteatro 20 Con el objetivo de conocer el comportamiento de la instalación, se implementa un modelo matemático que permita conocer la evolución del sistema en periodos de 10 minutos. Para ello, previamente fueron recogido los datos climáticos asociados a un día completo de septiembre, es decir, de la época estival en la ciudad de Sevilla. Con estos datos, se pretende calcular la oferta (generación de agua fría) y demanda (necesidad de energía para satisfacer las condiciones de diseño) para cada uno de los modelos implementados y así alcanzar la solución que satisfaga dichas condiciones de diseño en la instalación a estudio. 3.4.1 Estanque El estanque se encuentra en las inmediaciones del anfiteatro y se utilizará como volumen de acumulación el cual se conecta a una de las baterías disponibles en la unidad de tratamiento de aire para enfriar el aire a introducir en el espacio acondicionado. Para enfriar el agua se utiliza un sistema de boquillas colocadas a una cierta altura sobre el estanque las cuales micronizan el agua del propio estanque obteniéndose un enfriamiento del agua por evaporación de parte de la gota. En la imagen que se presenta a continuación, se observa el estado actual de dicho estanque el cual se encuentra totalmente funcional, siendo hoy en día una fuente. Figura 17. Estanque en la actualidad El estanque presenta unas dimensiones de 24 metros de largo por 3 de ancho y aproximadamente 1 metro de altura. El objetivo es tener el estanque lleno aproximadamente hasta la mitad de la altura disponible por lo que se obtiene un volumen de acumulación de 36 𝑚3 de agua. Para mover el agua del estanque a la batería es necesario un equipo de bombeo prácticamente de recirculación debido a que la unidad de tratamiento de aire se encuentra bajo el nivel del suelo, consiguiéndose así que por simple gravedad se genere flujo. Para bombear y pulverizar el agua del estanque si es necesario un equipo de presión ya que el objetivo es que estas funcionen en presiones cercanas a los 3 bares. A continuación, se muestra una recreación del estanque junto al anfiteatro en la que se observa la proximidad de este. Figura 18. Anfiteatro junto a estanque. Recreación Revit 3.4.1.1 Modelo estanque A continuación, se muestra la ecuación que caracteriza la variación de energía de la lámina de agua del estanque por unidad de tiempo extraída del proyecto fin de carrera de C.J. Esteban[41]: ∆𝑈=𝑞𝑅𝐶 +𝑞𝑅𝐿+𝑞𝑒+𝑞𝑐+𝑞𝑠+𝑞𝑎+𝑞𝑝 Donde: ∆𝑈 = Variación de energía de la lámina de agua por unidad de tiempo. (W) El resto de los términos de la ecuación se muestran a continuación: Tabla 3. Flujos de calor en el estanque Ganancias (+)1 Pérdidas (-) 𝒒𝑹𝑪 = Radiación de corta absorbida. (W) 𝒒𝑹𝑳 = Flujo neto de radiación de larga en la superficie. (W) 𝒒𝒄 = Flujo de calor por convección en la superficie. (W) 𝒒𝒆 = Flujo de calor asociado a la evaporación de agua en la superficie. (W) 𝒒𝒂 = Flujo de calor asociado al agua de aporte a la batería. (W) 𝒒𝒔 = Flujo de calor asociado al funcionamiento de los jets. (W) 𝒒𝒑 = Intercambio de calor por conducción a través de las paredes y el fondo. (W) (Durante el día) 𝒒𝒑 = Intercambio de calor por conducción a través de las paredes y el fondo. (W) (Durante la noche) Para calcular cada uno de los calores que se presentan, es necesario conocer las fórmulas que rigen a cada uno de ellos, los cuales se muestran a continuación: • Flujo de calor por convección en la superficie 𝑞𝑐 =ℎ𝑐·(𝑇𝑒𝑥𝑡 −𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒)·𝐴𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 Donde: 1 Los flujos mostrados están caracterizados como ganancias pérdidas en régimen verano. Anfiteatro 22 - ℎ𝑐 es el coeficiente de película el cual se define a partir de un valor constante más una variable dependiente de la velocidad del viento: ℎ𝑐 =2.8 + 3 · 𝑣𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 [ 𝑊 𝑚2𝐾] - 𝑇𝑒𝑥𝑡 y 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 corresponden a la temperatura exterior del aire y a la temperatura del agua del estanque respectivamente, ambas en [ºC] - 𝐴𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 =72 𝑚2 y representa la superficie de agua en el estanque. • Intercambio de calor por conducción a través de las paredes y el fondo 𝑞𝑝 =𝑞𝑐𝑑 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠+ 𝑞𝑐𝑑 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 Donde: - 𝑞𝑐𝑑 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒𝑠 y 𝑞𝑐𝑑 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 son determinados mediante simulaciones CFD y multiplicados por el área correspondiente. • Flujo neto de radiación de larga en la superficie 𝑞𝑅𝐿 =𝜎· 𝜀· ((𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒+273)4−(𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜+273)4)·𝐴𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 Donde: - 𝜎= 5.68∗10−8 [ 𝑊 𝑚2𝐾4] representa la constante de Stefan-Boltzmann. - 𝜀=0.95 y representa la emisividad del agua. - 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 y 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 corresponden a la temperatura del cielo y a la temperatura del agua del estanque respectivamente, ambas en [ºC]. - 𝐴𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 =72 𝑚2 y representa la superficie de agua en el estanque. • Flujo de calor asociado a la evaporación de agua en la superficie 𝑞𝑒 = 𝐾𝑚 𝑅·(𝑇𝑒𝑥𝑡 +273)·ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 ·1000(𝑃𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑤−𝐻𝑅·𝑃𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑎)·𝐴𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 Donde: - 𝐾𝑚= 9.38·10−3 [𝑚 𝑠] - 𝑅=461.89 [ 𝐽 𝐾𝑔∗𝐾] = constante de los gases ideales para el agua. - ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 =2257[𝐾𝐽 𝐾𝑔] = entalpía de cambio de fase. - 𝐻𝑅 representa la humedad relativa en tanto por 1. - 𝐴𝑙á𝑚𝑖𝑛𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 =72 𝑚2 = superficie de agua en el estanque. - 𝑃𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑤 = la presión de vapor a la temperatura del agua del estanque, que se determina mediante la siguiente expresión: 𝑃𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑤=𝑒(18.043−( 3885 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒+230)·0.13·1000 [𝑃𝑎] - 𝑃𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑎 = la presión de vapor a la temperatura del aire exterior y viene definida por la misma expresión anterior: 𝑃𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑇𝑎=𝑒(18.043−( 3885 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟+230)·0.133322·1000 [𝑃𝑎] • Flujo de calor asociado al funcionamiento de los jets[42] 𝑞𝑠=𝑚󰇗𝑎𝑔𝑢𝑎·𝐶𝑝·((𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 −𝑇𝑏ℎ))·𝑒𝑓𝑓 Donde: - 𝑚󰇗𝑎𝑔𝑢𝑎 = flujo másico de agua impulsado por los jets [𝐾𝑔 𝑠] - 𝐶𝑝=4180 [ 𝐽 𝐾𝑔·𝐾] = calor específico del agua a presión constante - 𝑇𝑏ℎ y 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = a la temperatura de bulbo húmedo y a la temperatura del agua del estanque respectivamente, ambas en [ºC]. - 𝑒𝑓𝑓 = eficiencia de los jets Para que los jets dispuestos sobre el estanque comiencen a funcionar, es necesario definir una condición de control para que la disipación de calor mediante evaporación de la gota de agua sea efectiva ya que el enfriamiento evaporativo depende de la temperatura de bulbo húmedo. Dicha condición se expone a continuación: 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 >𝑇𝑏ℎ+∆𝑇 El diferencial de temperatura (∆𝑇) o histéresis se utiliza para evitar el funcionamiento de los jets cuando el agua se encuentra a una temperatura cercana a la de bulbo húmedo, tomando el valor de 2ºC para garantizar una mínima diferencia y así obtener un enfriamiento adecuado. Esto es debido a que el iniciar el funcionamiento de los jets lleva consigo un consumo eléctrico asociado por lo que, si la temperatura de agua del estanque y la de bulbo húmedo son próximas, no compensa el enfriamiento obtenido con el gasto energético generado. Ya obtenido todos los calores que influyen en la variación de la energía interna de la lámina de agua, se calcula la temperatura del agua del estanque mediante la siguiente expresión: 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒(𝑡−1)+∆𝑈·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ·𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 Donde: - 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜: En todas las simulaciones el periodo de muestreo es de 600 segundos. - 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 =4180 [𝐽 𝐾𝑔∗𝐾] - 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 =998 [𝐾𝑔 𝑚3] Al estar la simulación en intervalos de 10 minutos, es necesario multiplicar la variación de energía interna [W] por el periodo correspondiente de 600 segundos. Tanto el calor específico a presión constante como la densidad del agua se mantienen constante indistintamente. Al haber evaporación tanto natural como por la micronización de las boquillas, es necesario estimar la cantidad de agua que se evapora para conocer el volumen de agua a reponer de la red al estanque. 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑎 =𝑞𝑒·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 +𝑞𝑠·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 Anfiteatro 24 Donde el primer término corresponde al agua evaporada de forma natural y el segundo a la evaporada por el enfriamiento evaporativo mediante jets. 3.4.2 Depósito La idea de utilizar un depósito nace de la necesidad de un volumen de acumulación que se utilice para la cubierta radiante, la cubierta dual y la segunda batería instalada en la unidad de tratamiento de aire. Dicho depósito se estima de un volumen próximo a los 30 𝑚3, el cual no toma un valor al azar, sino que se realiza un estudio para determinar el volumen necesario y óptimo que satisfaga las necesidades que se solicitan. Este estudio sobre el volumen apropiado para el depósito se presenta en el capítulo 3 donde se recogen las distintas simulaciones y cálculos realizados para obtener las diferentes estimaciones. El depósito se sitúa al otro lado del anfiteatro, bajo el nivel del suelo en forma de depósito o aljibe. El agua del depósito es enfriada mediante la utilización de la cubierta dual, en la que se obtiene enfriamiento evaporativo y radiante (oferta). Las ganancias vendrán dadas por la batería colocada en la unidad de tratamiento de aire y la cubierta radiante (demandantes). A continuación, se muestra la disposición del depósito en la avenida Thomas Alva Edison: Figura 19. Disposición del depósito en la Avenida. Recreación Revit 3.4.3 Unidad de tratamiento de aire La UTA es un equipo de climatización cuya configuración es en función de las necesidades. Para dicho proyecto incluye un fan el cual se encarga de mover el caudal de aire necesario que se desea introducir en el espacio acondicionado, un filtro de aire, dos intercambiadores de calor y por último un sistema evaporativo. La primera batería está conectada al agua del estanque y la segunda presenta dos configuraciones, o al depósito o a la bomba de calor que finamente es la que se aplica en la ejecución del proyecto real. En la siguiente imagen se detalla un dibujo de la UTA con todos los elementos ya mencionados. Cabe destacar, que el uso del sistema evaporativo se limita a la utilización de la segunda batería conectada al depósito ya que dicho sistema presenta como desventaja el incremento de la humedad relativa dentro del espacio acondicionado provocando una disminución del confort térmico. Depósito Figura 20. Dibujo sobre la unidad de tratamiento de aire Esta unidad de tratamiento de aire se coloca en un espacio disponible detrás del escenario. En la siguiente sucesión de imágenes se muestra el acceso a la sala, la unidad terminal y la instalación hidráulica. Figura 21. Acceso a la sala UTA. Recreación Revit En esta imagen se detalla la sala donde se encuentra la unidad de tratamiento de aire y las conexiones hidráulicas. Anfiteatro 32 La potencia total disipada por evaporación viene determinada por la siguiente expresión: 𝑃𝑗𝑒𝑡𝑠 =𝑒𝑓𝑓𝑗𝑒𝑡𝑠·𝑄𝑗𝑒𝑡𝑠·𝑐𝑝(𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜−𝑇𝑏ℎ)[𝑊] Al igual que en casos anteriores, el agua evaporada se obtiene: 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑗𝑒𝑡𝑠 = 𝑃𝑗𝑒𝑡𝑠 ·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 [𝑘𝑔] Esta agua evaporada se recupera en el depósito suministrando agua de la red. A continuación, se obtiene la temperatura del agua después del efecto evaporativo, ya que esta condiciona la ecuación que rige la potencia disipada por el innovador sistema falling film. 𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜−𝑒𝑓𝑓𝑗𝑒𝑡𝑠·(𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜−𝑇𝑏ℎ) En función de la condición que se presenta, la potencia disipada por el sistema se ve alterada, ya que, si la condición presente se cumple, el efecto evaporativo es mayor. 𝑆𝑖 𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝 >𝑇𝑏ℎ +1 Entonces: 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 =33.11·(𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 −𝑇𝑏ℎ)+5·(𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜−𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜)·𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛·𝐶𝐹 [𝑊] Donde: - 𝐶𝐹 es un factor corrector que viene determinado por las siguientes variables: 𝐶𝐹=1−1.273·𝑒−0.1647·𝑄0.5312 Cuyo caudal se expresa como [𝑙 ℎ∗𝑚2] En los casos en los que la condición se cumple, la cantidad de agua evaporada es mayor, debida a la mayor influencia del efecto evaporativo: 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑟𝑎𝑑 = 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 ·33.11·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 (33.11+5)·ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 ·1000 En caso contrario: 𝑆𝑖 𝑇𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝 <𝑇𝑏ℎ +1 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 =3.44·(𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜−𝑇𝑏ℎ)+5(𝑇𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜−𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜)·𝐴𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛·𝐶𝐹 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝 𝑟𝑎𝑑 = 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒·3.44·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 (3.44+5)·ℎ𝑓𝑎𝑠𝑒 ·1000 La potencia de enfriamiento total de la cubierta viene expresada por el sistema de jets y el falling film como se muestra a continuación: 𝑞𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 + 𝑃𝑗𝑒𝑡𝑠 3.4.6 Cubierta radiante o “Ceiling” El ceiling es una cubierta de polipropileno situada sobre los asistentes al anfiteatro y bajo los módulos de lamas que cubren la cubierta del espacio. Las planchas de polipropileno presentan una serie de canales por los que circula el agua, alcanzándose de esta manera una regulación de la temperatura de la cobertura lo que garantiza un mejor confort térmico en el espacio acondicionado reduciendo la sudoración de los allí presente. Para mantener la cobertura a una temperatura comprendida entre 26ºC y 27ºC se utilizará agua del depósito, la cual por regla general se encontrará a una temperatura inferior por lo que será necesario realizar una mezcla para garantizar la temperatura de la cobertura prácticamente constante y reducir las ganancias de calor en el agua del depósito. A continuación, se muestra una imagen sobre los paneles de propileno que conforman la cubierta llamada “ceiling”. Figura 28. Panel de polipropileno[45] 3.4.6.1 Modelo cubierta radiante Para conocer la potencia absorbida por el agua del depósito es necesario formular un modelo matemático. Dicho modelo presenta la conjunción entre la convección y radiación del sistema por lo que es necesario calcular una serie de temperaturas de equilibrio tanto de la parte superior del ceiling como de la inferior. La primera temperatura de equilibrio conforma la parte superior del ceiling la cual va cubierta por módulos de lamas. Está expuesta a la temperatura exterior (convección) y a la temperatura de cielo (radiación): 𝑇𝑒𝑞1= ℎ𝑐𝑣·𝑇𝑒𝑥𝑡 +ℎ𝑟𝑎𝑑 · 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 ℎ𝑐𝑣+ℎ𝑟𝑎𝑑 Donde: - ℎ𝑐𝑣 =10 [ 𝑊 𝑚2𝐾] coeficiente de transferencia de calor convectivo - ℎ𝑟𝑎𝑑 =5 [ 𝑊 𝑚2𝐾] coeficiente de transferencia de calor radiante La temperatura sol-aire vendrá dada por: 𝑇𝑠𝑜𝑙−𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑇𝑒𝑞1·𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑·𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ℎ𝑐𝑣+ℎ𝑟𝑎𝑑 Donde: - La 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 corresponde a las lamas - 𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 es la irradiación total, la suma de la directa más la difusa. La temperatura de equilibrio dos viene dada por la parte inferior del ceiling en la que se presenta convección con la temperatura exterior y radiación con el espacio acondicionado, cuya temperatura es la del recinto: 𝑇𝑒𝑞2= ℎ𝑐𝑣·𝑇𝑒𝑥𝑡+ℎ𝑟𝑎𝑑·𝑇𝑟𝑒𝑐𝑖𝑛𝑡𝑜 ℎ𝑐𝑣+ℎ𝑟𝑎𝑑 La temperatura denominada infinito es una combinación de ambas temperaturas de equilibrio obtenidas multiplicadas por sus respectivas transmitancias térmicas: Anfiteatro 34 𝑇𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑜 = 𝑈1·𝑇𝑒𝑞1+𝑈2·𝑇𝑒𝑞2 𝑈1+𝑈2 Donde: - 𝑈1 viene definida por las siguientes resistencias térmicas: 𝑈1=1 𝑅𝑙𝑎𝑚𝑎𝑠+𝑅𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒+𝑅𝑝𝑜𝑙𝑖𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑜+𝑅𝑎𝑔𝑢𝑎+𝑅𝑐𝑣−𝑟𝑎𝑑 - A continuación, se formula cada resistencia térmica que interfiere en la transmitancia de la temperatura de equilibrio 1 calculadas con THERM[46]: 𝑅𝑙𝑎𝑚𝑎𝑠 =𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑙𝑎𝑚𝑎𝑠 𝐾𝑐𝑎𝑝𝑎[𝑚2·𝐾 𝑊] 𝑅𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐾 𝑎𝑖𝑟𝑒 [𝑚2·𝐾 𝑊] 𝑅𝑝𝑜𝑙𝑖𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑜 =1 𝑈𝑝𝑜𝑙𝑖𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑎𝑡𝑜 ·8 7[𝑚2·𝐾 𝑊] 𝑅𝑎𝑔𝑢𝑎 =1 ℎ𝑐𝑣 𝑎𝑔𝑢𝑎[𝑚2·𝐾 𝑊] 𝑅𝑐𝑣−𝑟𝑎𝑑 =1 ℎ𝑐𝑣+ℎ𝑟𝑎𝑑[𝑚2·𝐾 𝑊] - 𝑈2 se define tal que: 𝑈2=1 𝑅𝑎𝑔𝑢𝑎+𝑅𝑐𝑣−𝑟𝑎𝑑 Para terminar, y poder obtener la potencia por cada módulo de lamas es necesario definir una eficiencia, la cual se rige por la ecuación que se presenta a continuación: 𝐸𝑓𝑓𝑐𝑒𝑖𝑙𝑖𝑛𝑔 =(1−𝑒 −(𝑈1+𝑈2)·𝐿·𝑃 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎·𝑐𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎·𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎)·𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ·𝑐𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎·𝑄𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑈1+𝑈2)·𝐿·𝑃 Donde: - 𝐿=4 𝑚 longitud de los módulos - 𝑃=0.6 𝑚 perímetro Por último, se obtiene la potencia por plancha de polipropileno: 𝑃𝑐𝑒𝑖𝑙𝑖𝑛𝑔 = 𝐸𝑓𝑓𝑐𝑒𝑖𝑙𝑖𝑛𝑔 ·𝐿·𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜·(𝑇𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎−𝑇𝑖𝑛𝑓𝑖𝑛𝑖𝑡𝑜) Donde: - 𝐿=4 𝑚 longitud de los módulos de cubierta radiante. - 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜=1.15 𝑚 es el ancho de cada módulo de polipropileno. El total de la cubierta radiante resulta de multiplicar por los 11 módulos fríos de los que se dispone: 𝑄𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝑃𝑐𝑒𝑖𝑙𝑖𝑛𝑔· 𝑛º 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 Zoco 36 4 ZOCO El zoco es el otro gran protagonista del proyecto Cartuja Qanat. Este espacio presenta un volumen de acondicionamiento de 1600 𝑚3 y a diferencia del anfiteatro, ha sido concebido para reuniones sociales, ya se trate de un evento o no en el que las personas asistentes pueden disfrutar de un espacio aclimatado en el que poder estar durante los días de la época estival. El zoco se sitúa en la propia avenida, y se encuentra bajo el nivel del suelo, el cual resulta cubierto por una cubierta plegada situada a 4 metros de altura sobre el nivel del suelo. En un primer lugar, se realizó un prediseño en el que se desconocía la forma y la situación exacta del zoco dentro de la avenida y cuyos paneles de generación fotovoltaica se desconocía la ubicación de parte de ellos, ya que el anfiteatro en un principio disponía de una cubierta a dos aguas en la cual una de ellas, la que no cubría el espacio acondicionado, se utilizaba para su colocación. Figura 29. Imagen del diseño final del zoco facilitada por IDOM. En los paños plegados de la imagen se colocan los paneles fotovoltaicos que generan la energía suficiente para que el conjunto del proyecto sea autosuficiente y sea capaz de abastecer los distintos equipos que requieren electricidad en el proyecto. A continuación, se presenta un esquema de funcionamiento de dicho zoco, en el que los volúmenes de acumulación son dos qanats. Al igual que en el anfiteatro se presentan las tecnologías de disipación con las que se obtiene agua fría durante la noche y los sistemas de impulsión de aire hacía el interior del espacio acondicionado. A diferencia del anfiteatro, se utilizan conductos enterrados y sumergidos por los que circula el aire procedente del exterior e intercambian calor con el terreno y el agua fría de los qanats como si se tratara de un intercambiador de calor. El esquema siguiente incluye las técnicas tanto de enfriamiento del agua, como los dispositivos utilizados para enfriar el aire. Figura 30. Esquema modos de funcionamiento zoco El zoco dispone de dos volumenes de acumulación, los qanats, ambos de 70 𝑚3 de agua. Esta agua puede ser enfriada durante la noche mediante la utilización de los jets que se encuentras situados sobre el acueducto y la lámina descendente sobre los paneles fotovoltáicos los cuales van dispuestos sobre la cubierta plegada del zoco. Si fuera necesario, se dispone de una bomba de calor para enfriar el agua de los qanats hasta la temperatura que se estime oportuna. Además, se dispone de una unidad terminal por cada qanat a la salida de los conductos enterrados, por sino fuera suficiente la temperatura de impulsión de los enterrados para que la mezcla del aire exterior y el resto del aire introducido satisfaciera las condiciones de diseño. El volumen total acondicionado para el zoco es de 1600 𝑚3 por que se garantiza un amplio espacio para poder llevar acabo eventos en la que el aforo sea considerable. En cuanto al grado de confinamiento, el aire entra en el espacio acondicionado por el oeste. El espacio presenta una cubierta a 4 metros de altura sobre la rasante del suelo por lo que, el lateral oeste hasta los 2 metros de altura presenta barreras evaporativas, mientras que el resto hasta los 4 metros está prácticamente abierto en su totalidad. A continuación se muestra un dibujo de como sería el flujo de aire si este se desplazara a altas velocidades. Figura 31. Flujo de aire a través del zoco. Alta velocidad Zoco 38 En condiciones reales, en las que la velocidad del viento es baja, practicamente la totalidad del aire que entra tanto por las barreras como por el espacio superior hasta la cubierta sigue una trayectoria descendente hasta el espacio acondicionado. Mediante simulación CFD se obtienen los ACH correspondientes entre 0-2 metros y 2- 4 metros de altura los cuales se presentan a continuación: Tabla 5. ACH equivalentes zoco Zona Oeste ACH (𝒓𝒆𝒏𝒐𝒗𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏𝒆𝒔 𝒉) Inferior 9.2 Superior 7.2 Antes de comenzar a definir cada uno de los modelos que componen la instalación, se presentan las ecuaciones que rigen la temperatura y humedad absoluta del zoco 𝑇𝑧𝑜𝑐𝑜 = 𝑇𝑒𝑥𝑡 ·𝑄𝑒𝑥𝑡 +𝑇𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒 ·𝑄𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒 +𝑇𝑝𝑜𝑠𝑡 𝑈𝑇 ·𝑄𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠+𝑇𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠·𝑄𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑄𝑒𝑥𝑡 +𝑄𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠 +𝑄𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 +𝑄𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑤𝑧𝑜𝑐𝑜 =𝑤𝑒𝑥𝑡·(𝑄𝑒𝑥𝑡 +𝑄𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠+𝑄𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠)+𝑤𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠·𝑄𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠 𝑄𝑒𝑥𝑡 +𝑄𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠 +𝑄𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠+𝑄𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 Mediante los dos valores obtenidos es posible calcular la humedad relativa del espacio acondicionado utilizando el software EES. 4.2.1 Qanats Los qanats son dos volumenes de acumulación situados bajo tierra en los que volumen de agua en cada uno de ellos es de 70 𝑚3. Ambos Qanats presentan una longitud de 40 metros de largo y un perímetro de agua por Qanat de 4.25 𝑚. El agua de los mencionados Qanats se utiliza para disipar el calor del aire a introducir en el zoco a través de los conductos enterrados y sumergidos. Esta agua será enfriada durante la noche mediante técnicas naturales como la evaporación y la radiación, y por si esto no fuera suficiente, se instala una bomba de calor para garantizar que el agua de ambos Qanats al comienzo del día sea de 19ºC. Al igual que en el estanque y depósito como volumen de acumulación, el cálculo de la variación de la energía del fluido se reduce a: ∆𝑈=𝑞𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 +𝑞𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠+𝑞𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒+𝑞𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜+𝑞𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 Donde las ganancias vienen dadas por los conductos sumergidos, los conductos enterrados, la cubierta radiante y como carga nocturna, el terreno. Por otro lado, las pérdidas vienen dadas por un calor de enfriamiento que engloba a todas las tecnologías de disipación que se recogen en dicha instalación como son el uso del enfriamiento evaporativo mediante la utilización de boquillas pulverizados y la utilización del falling film que combina el efecto evaporativo-radiante. Si fuera necesario utilizar la bomba de calor, la potencia utilizada se incluiría en el 𝑞𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜. Figura 32. Dibujo Qanat A continuación se muestran las ecuaciones que rigen la temperatura del qanat para cada intervalo de tiempo de 10 minutos (Periodo). El primero que se muestra comprende el horario de demanda en el que la instalación está abierta al público y funcionando. Dicho horario está comprendido entre las 11:00h de la mañana y las 22:00h de la noche: 𝑇𝑞𝑎𝑛𝑎𝑡 =𝑇𝑄𝑎𝑛𝑎𝑡 (𝑡−1)+(𝑞𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠+𝑞𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠+𝑞𝑐𝑢𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒)·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎∗𝑛º𝑄𝑎𝑛𝑎𝑡𝑠∗𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗𝑐𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 Durante el resto del día, la temperatura del agua en los qanats se estima mediante la siguiente ecuación: 𝑇𝑞𝑎𝑛𝑎𝑡 =𝑇𝑄𝑎𝑛𝑎𝑡 (𝑡−1)−(𝑞𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜+𝑞𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜)·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎·𝑛º𝑄𝑎𝑛𝑎𝑡𝑠·𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 ·𝑐𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 Donde: - 𝑞𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 incluye la potencia radiante del sistema evaporativo radiante sobre paneles fotovoltáicos y la potencia evaporativa de los jets sobre el acueducto. - 𝑞𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 se trata de las ganancias que aporta el terreno al agua de los qanats por lo que en la ecuación expuesta es necesario introducir dicho calor con el signo (-) A continuación se define cada una de las tecnologías de disipación utilizadas y cada uno de los equipos utilizados para llevar a cabo el acondicionamiento del espacio. 4.2.2 Conductos enterrados Los conductos enterrados se situan bajo el qanat. Entre el agua del qanat y los conductos enterrados existe una capa de material de alta conductividad térmica para aumentar la transferencia de calor entre el agua y el terreno y viceversa. Cada Qanat dispone bajo ellos de 5 conductos enterrados por lo que la instalación cuenta con un total de 10 conductos enterrados, con un caudal total de aire a través de ellos de aproximadamente 32000 𝑚3aunque este caudal se regula en función de las necesidades del espacio acondicionado. Por la noche, los conductos enterrados, se utilizan para extraer calor del terreno ya que si la temperatura en el exterior es lo suficientemente baja, el terreno cederá calor al aire por lo que la tierra verá reducida su temperatura. En caso de que la temperatura del aire no sea lo suficientemente baja como para disipar la cantidad de calor que se requiere, se dispone de un sistema regenerativo para enfriar el aire evaporativamente antes de ser introducido en los conductos enterrados. 4.2.2.1 Modelo conductos enterrados Para conocer la temperatura de impulsión de los conductos enterrados se ha utilizado la temperatura exterior de entrada y se ha realizado una simulación CFD en la que se tienen en cuenta todas las variables que intervienen en la transferencia de calor. Gracias a la simulación se obtiene las temperaturas de impulsión y la energía Zoco 40 proporcionada por los conductos enterrados al agua en [𝑊 𝑚2] del qanat para cada instante de 10 minutos. Con el objetivo de conocer el aporte total de energía al agua de los Qanats, se realiza la siguiente operación: 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 =𝑞𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 󰇗 ·𝐿·𝑛º𝑄𝑎𝑛𝑎𝑡𝑠·𝑃 Donde: - 𝑞𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 󰇗 dato obtenido por simulación [𝑊 𝑚2] - 𝐿=40 𝑚 representa la longitud del Qanat - 𝑃=4.25 𝑚 el perímetro de agua por Qanat 4.2.3 Conductos sumergidos Los conductos sumergidos se encuentran dentro del volumen de agua de los Qanats. Cada Qanat dispone de 4 conductos sumergidos cuyo caudal a través de todos los conductos sumergidos de la instalación es de aproximadamente 16600 𝑚3. Este caudal es regulable al igual que es de los enterrados, pero para las simulaciones se utiliza el propuesto ya que ha sido comprabado que satisface las necesidades del espacio ancodicionado. 4.2.3.1 Modelo conductos sumergidos En el caso de los conductos sumergidos, se dispone de una formula que describe la eficiencia de los conductos enterrados gracias a Frank P. Incropera[47], la cual se define a continuación: 𝑒𝑓𝑓𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 =1−𝑒−7.64 𝑣 Donde: - 𝑣 [𝑚 𝑠] es la velocidad del aire a través de los conductos sumergidos. Como se conoce la sección de los conductos es posible calcular la velocidad tal que: 𝑣= 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑛º𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 · 𝐴 · 3600 - 𝑄𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠: Caudal de aire introducido a través de los conductos sumergidos. En función de las necesidades de acondicionamiento del espacio es modificado. Para llevar a cabo las simulaciones se ha considerado un caudal de 16600 𝑚3 ℎ - 𝑛º𝐶𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠=8: Cuatro conductos por Qanat. - 𝐴: Representa la sección del conducto sumergido la cual es de 0.096 𝑚2 Gracias a la ecuación de la eficiencia es posible calcular la temperatura de impulsión de los sumergidos mediante la siguiente expresión: 𝑇𝑖𝑚𝑝 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 =𝑇𝑒𝑥𝑡 −𝑒𝑓𝑓𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 ·(𝑇𝑒𝑥𝑡−𝑇𝑞𝑎𝑛𝑎𝑡 (𝑡−1)) Por último se procede a calcular el calor aportado al agua del qanat: 𝑞𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠 =𝐴𝐶𝐻𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠·𝑉𝑧𝑜𝑐𝑜 ·𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ·𝑐𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒 ·(𝑇𝑒𝑥𝑡−𝑇𝑖𝑚𝑝 𝑠𝑢𝑚𝑒𝑟𝑔𝑖𝑑𝑜𝑠) 3600 4.2.4 Barreras evaporativas Las barreras evaporativas forman parte del lateral del zoco comprendido entre la cota de 0-2 m sobre el nivel del suelo. Dichas barreras se comportan de la misma manera que el sistema evaporativo que se encuentra en el interior de la unidad de tratamiento de aire utilizada para el acondicionamiento del anfiteatro. 4.2.4.1 Modelo barreras evaporativas El modelo es el mismo expuesto anteriormente, por lo que simplemente a continuación se realiza una adaptación del mismo al zoco. La temperatura después de atravesar el aire las barreras evaporativas vendrá dada por la eficiencia de las mismas y la temperatura de bulbo humedo. Es importante señalar que la eficiencia de estas barreras es variable por lo que en función de las necesidades se puede reducir para ahorrar agua y evitar alta humedad relativa en el interior del espacio acondicionado: 𝑇𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠 = 𝑇𝑒𝑥𝑡 −ɛ·(𝑇𝑒𝑥𝑡− 𝑇𝑏ℎ) Para los casos de estudio presentes en el capítulo siguiente la eficiencia utilizada es de 0.9. A continuación se determina el 𝑞𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠 necesario para calcular la temperatura la cantidad de agua que se utiliza con este sistema de enfriamiento evaporativo: 𝑞𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠 = 𝑚󰇗 𝑎𝑖𝑟𝑒 ·𝑐𝑝 𝑎𝑖𝑟𝑒·(𝑇𝑒𝑥𝑡−𝑇𝑏𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎𝑠) Donde el flujo másico de aire viene determinado por el ACH calculado por CFD, 9.2 renovaciones del aire por hora, que realmente se mezcla en el espacio confinado. Por dichas barreras pasa un flujo de aire similar mientras que el flujo tenga una velocidad moderada. En el caso de que dicho flujo alcanzara altas velocidades, parte del aire que atraviesa las barreras saldría directamente por el lado contrario sin llegar a entrar en el espacio acondicionado. La humedad aportada en el flujo de aire que atraviesan las barreras es necesaria para poder obtener la del espacio acondicionado, y así controlar los niveles de humedad relativa dentro del zoco. 𝑤𝑖𝑚𝑝 =𝑤𝑒𝑥𝑡 +𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 Donde: - 𝑤𝑒𝑥𝑡 toma un valor constante de 0.012 [𝑘𝑔 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑘𝑔 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜] debido a errores en la toma de datos respecto a este parámetro se supuso este valor, siempre teniendo en cuenta de que se trata de un valor desfavorable. - 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜[𝑘𝑔] se calcula de la siguiente forma: 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜 =𝑤𝑒𝑥𝑡+𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 (1+𝑤𝑒𝑥𝑡) 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 =𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒 ·𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 4.2.5 Cubierta radiante La cubierta radiante consiste en un circuito de tuberías por el que circula un determinado caudal de agua proveniente de los qanats. El objetivo es que los asistentes al espacio confinado y los objetos que les rodea irradien su calor hacia el techo frío, lo que se traduce en un claro efecto de refrigeración. En la imagen que se muestra a continuación se observa que el área de las tuberías por las que circula el agua es discreta por lo que se necesita un bajo caudal de agua para su utilización. Resultados 48 5 RESULTADOS ste capítulo contempla los resultados obtenidos de las distintas simulaciones, los esquemas de los distintos modos de funcionamiento posible y una serie de deducciones que optimizan el uso de recursos necesarios para operar las instalaciones. Para analizar el comportamiento del estanque, se realiza un balance de energía el tercer día de enfriamiento, día previo al inicio del funcionamiento de la instalación. En la ilustración que se muestra a continuación se recoge el total del calor aportado y extraído del agua durante el periodo de 24 horas que conforman dicho día. Cabe mencionar, que el flujo de calor asociado al agua de aporte a la batería no es contemplado ya que se trata del día previo al arranque de la instalación, por lo cual no se considera para dicho balance energético. Si se analiza uno a uno los calores presentes, se aprecia como el balance del calor por conducción a través de las paredes y suelo se considera nulo. Esto es así ya que, para conocer el flujo de calor con el terreno, es necesario obtener un modelo por CFD que simule dichas condiciones. Los datos obtenidos fueron desechados por falta de fiabilidad en el modelo utilizado, es por lo que se supone que las ganancias y pérdidas a través del terreno durante un día completo son iguales, cuya decisión se considera conservadora. El siguiente calor que se recoge corresponde a la radiación de corta absorbida por el estanque. Al estar el estanque a plena exposición solar y tratarse de un día de la época estival las ganancias son extremas, siendo este flujo el más notorio entre todo el calor aportado. En cuanto a la convección en la superficie, la cual implica ganancias ya que la temperatura exterior es mayor a la temperatura del fluido contenido en el estanque, y la radiación de larga, ambas prácticamente se compensan entre sí, siendo ligeramente superior las ganancias por convección a las pérdidas por radiación. Por último, se presentan los efectos evaporativos, en los cuales la disipación de calor por evaporación del agua de la superficie es incluso mayor al obtenido por el sistema de jets propuesto. Figura 35. Balance de energía estanque E 49 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Del balance de energía general del estanque se obtiene el siguiente resultado: 𝑄𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =0.86 𝑘𝑊ℎ El cual corrobora el alcance de un régimen estacionario de simulación bajo las condiciones climáticas del día tipo, lo que significa que si se simulan sucesivos días bajo estas condiciones climáticas y de funcionamiento los datos obtenidos no se verían modificados ya que se ha alcanzado la estacionalidad. Ya conocido el modelo del estanque-anfiteatro para el cálculo de la evolución del agua del estanque y de la temperatura de impulsión de la unidad de tratamiento de aire, es de interés enumerar los parámetros que si son variables para realizar un abanico de soluciones. A continuación, se enumeran los distintos parámetros de diseño y los variables. - Volumen de agua en el estanque (36 𝑚3). El agua evaporada se compensa con agua de la red - UA batería (2 𝑘𝑊/𝐾) - Eficiencia batería (0.72) - Caudal de agua batería (8612 𝑙/ℎ) - Volumen del espacio confinado (934.73 𝑚3) Parámetros Variables: • Grado de confinamiento. Gracias a los resultados obtenidos por CFD se dispone de distintos valores de ACH (air change per hour) en función del grado de confinamiento aplicado y la velocidad del viento presentado en el capítulo anterior. Para cada uno de los dos grados de confinamiento se calcula una estimación lineal para obtener el caudal de aire exterior en función de las velocidades del viento facilitadas por el archivo climático. • Caudal de aire a introducir. Para obtener el caudal óptimo que garantice las condiciones de diseño impuestas, es necesario realizar las pertinentes simulaciones con un abanico de caudales que varían desde los 6000 𝑚3/ℎ de aire a los 12000 𝑚3/ℎ. La primera simulación sólo contempla el estanque como tecnología ofertante y el anfiteatro como instalación demandante de energía para garantizar la temperatura de consigna impuesta de 27ºC en el espacio confinado durante el horario de funcionamiento impuesto. La determinación de la simulación se da bajo las siguientes condiciones: - Temperatura inicial del estanque de 20ºC. - Se simulan primero 3 días en los que sólo operan los jets del estanque y 5 días más en los que el anfiteatro funciona de 11:00h a 22:00h - Las condiciones climatológicas de simulación son las mismas todos los días. - 50 boquillas sobre el estanque de caudal 5 𝑙 𝑚𝑖𝑛 cada una A continuación, se recoge la temperatura interior del anfiteatro el quinto día de operación, es decir, el octavo día de simulación para comprobar si la oferta satisface la demanda de energía para alguno de los caudales a introducir de aire llevados a estudio. Parámetros invariables Resultados 50 Figura 36. Evolución de la temperatura del recinto para distintos caudales. Grado de confinamiento III En la ilustración se muestra la temperatura del recinto para los diferentes caudales introducidos utilizando el grado de confinamiento III. Indiferentemente el caudal impulsado, la temperatura de consigna no se alcanza ya que, en el menor de los casos, en el que se introducen 12000 𝑚3/ℎ esta temperatura se sobrepasa en la hora crítica (la de mayor temperatura exterior) en aproximadamente 6ºC. De todos los caudales a estudio ninguno cumple en ningún periodo de tiempo la temperatura de consigna asignada, salvo al final del periodo de funcionamiento ya que a dicha hora la temperatura exterior es próxima a los 27ºC deseados. Es importante recordar que las condiciones de simulación son extremas, es decir, cinco días consecutivos con los mismos datos climáticos severos y una tasa de funcionamiento del 100% por lo que garantizar la temperatura de consigna durante tal periodo únicamente con el estanque como tecnología de disipación es inalcanzable. A diferencia de la anterior, en esta el grado de confinamiento es mayor por lo que se reduce la entrada de aire exterior en el espacio acondicionado reduciendo de esta manera la temperatura del anfiteatro durante el periodo de funcionamiento. A medida que el caudal de aire enfriado introducido es mayor, la temperatura del anfiteatro es menor durante las primeras horas de funcionamiento. Esto ocurre hasta aproximadamente las 17:00h, en el que indiferentemente del caudal de aire introducido de forma constante desde el comienzo del funcionamiento de la instalación se obtiene temperaturas similares dentro del recinto. Esto ocurre ya que a mayor caudal introducido, el agua del estanque sufre mayores ganancias de calor por lo que su capacidad de enfriamiento merma progresivamente. Por último, cabe señalar que con este grado de confinamiento se alcanza la temperatura de consigna tanto al inicio como al final del periodo de funcionamiento, estando lejos de la temperatura de consigna más del 90% del tiempo de funcionamiento. 51 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Figura 37. Evolución de la temperatura del recinto para distintos caudales. Grado de confinamiento IV Figura 38. Evolución de la temperatura del agua del estanque Para llegar a entender porque no se obtiene la temperatura de consigna deseada, es necesario analizar en profundidad la evolución de la temperatura del agua del estanque. Como se muestra en la ilustración, los tres primeros días el sistema de disipación se encuentra con las boquillas pulverizadoras funcionando, siempre y cuando la temperatura del agua del estanque sea mayor a la temperatura de bulbo húmedo más un delta de temperatura para garantizar el enfriamiento evaporativo. Durante la noche, el agua del estanque llega a alcanzar temperaturas por debajo de los 20ºC. Esta temperatura se ve incrementada durante el día por las ganancias solares y la convección con el aire exterior, por lo que durante el día alcanza temperaturas próximas a los 26ºC. Si al balance de energía se le suma el funcionamiento de la instalación, se obtiene unos picos de temperatura durante el horario de funcionamiento superiores a los 27.5ºC en función del caudal introducido, por lo que es imposible enfriar el aire a una temperatura menor de 27º para que dicha mezcla en el interior del recinto acondicionado sea 18 20 22 24 26 28 30 21/09/2018 00:00:00 23/09/2018 00:00:00 25/09/2018 00:00:00 27/09/2018 00:00:00 29/09/2018 00:00:00 Temperatura agua estanque (ºC) Día Evolución temperatura agua del estanque Temperatura agua estanque 6000 m3/h Temperatura agua estanque 8000 m3/h Temperatura agua estanque 10000 m3/h Temperatura agua estanque 12000 m3/h Resultados 52 de 27ºC. A vista de los resultados obtenidos, se confirma como es lógico, que a menor volumen de aire introducido menor incremento de temperatura refleja el volumen de agua del estanque. Es por ello, que para obtener una temperatura de aire de impulsión lo suficientemente baja como para garantizar la temperatura de confinamiento impuesta es necesario tomar una serie de medidas, como pueden ser el aumento del número de boquillas, mejorar la eficiencia de estas o reducir las ganancias solares. Por otro lado, es interesante conocer el balance de energía en el estanque durante los cinco días que la instalación se encuentra en funcionamiento para valorar el impacto del aire a enfriar en el agua del estanque. Para ello, se realiza un balance diario como se muestra en las siguientes ilustraciones. Cada ilustración se corresponde a una caudal de aire introducido en el espacio confinado constante durante el periodo de funcionamiento correspondiente durante los cinco días. Como es de esperar, los cuatro presentan un patrón similar siendo el primer día de funcionamiento el de mayor impacto energético en el agua del estanque provocando que el balance energético los sucesivos días sea prácticamente nulo, alcanzándose la ya mencionada estacionalidad. Esto indica, que el primer día de funcionamiento de la instalación, en función del caudal introducido, el impacto en potencia absorbida por el agua del estanque es mayor por lo que provoca un incremento de la temperatura del fluido. En el resto de los días analizados el balance se equipara ya que no hay incrementos de temperatura y el sistema se encuentra estacionario en otro rango de temperaturas como se muestra en la gráfica anterior al día previo de funcionamiento. Figura 39. Balance de energía estanque en función del caudal de aire impulsado La tabla presente es una forma de visualizar lo que ocurre en los balances mostrados anteriormente. Si se observa el día previo al arranque de la instalación la temperatura del agua del estanque a las 11 horas de la noche es próxima a 22.7ºC. En los días sucesivos en los que la instalación se encuentra en funcionamiento con caudal de aire de 10000 𝑚3/ℎ, la temperatura a las 11 horas de la noche, una hora después del apagado de la instalación, es próxima a los 24.5ºC lo que indica un incremento sustancial de temperatura entre el día previo y el posterior en el cuál el agua absorbe el calor del aire exterior mediante la batería colocada en la unidad de tratamiento de aire. Si el análisis energético expuesto anteriormente se efectuase durante un día completo comprendido entre las 9.00h de la mañana y las 9.00h del día siguiente, se obtendría prácticamente nulo tanto el día previo como los sucesivos por lo que se deduce que durante la noche el sistema evaporativo disipa mayor cantidad de calor los días que la instalación ha estado operativa alcanzando cada mañana a las 9.00 horas una temperatura similar independientemente de si la instalación estuvo en funcionamiento o no. Esto se traduce en un aumento del enfriamiento evaporativo lo provoca un aumento de agua evaporada cuanto mayor es el salto térmico. 53 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Tabla 6. Temperatura puntual del estanque durante el periodo de simulación DÍA TEMPERATURA A LAS 9 DE LA MAÑANA ºC TEMPERATURA A LAS 11 DE LA NOCHE ºC PREVIO 20.5 22.7 24 20.5 24.4 25 20.7 24.4 26 20.7 24.5 27 20.7 24.5 28 20.7 24.5 A continuación, se presentan los resultados correspondientes a la cantidad de agua evaporada tanto de forma natural como por el sistema de jets instalados en función del caudal de aire introducido en el espacio confinado y la tasa de funcionamiento. Siempre y cuando la temperatura del estanque sea mayor a la temperatura de bulbo húmedo más un delta de temperatura el sistema de jets estará funcionando por lo que se trata del periodo de funcionamiento en un intervalo de 24 horas. Como ya se ha comentado anteriormente, esto corrobora que, a mayor caudal de aire, la transferencia de calor aire-agua aumenta lo que se traduce en un incremento de temperatura en el agua del estanque. Este incremento provoca por lo general una mayor tasa de funcionamiento lo cual implica un consumo mayor eléctrico. A su vez, cuanto mayor es el salto térmico entre el agua del estanque y la temperatura de bulbo húmedo, mayores pérdidas de agua. El agua es un bien escaso por lo que es necesario tener en cuenta que día tras día es necesario reponer una cantidad de agua al estanque proveniente del río Guadalquivir. Esta cantidad es significativa, en función del caudal de aire introducido ronda entre los 750 litros y los 950 litros diario, pero no todo es evaporación provocada por los jets. De hecho, más del 50% de las pérdidas de agua vienen dadas por la evaporación de la lámina superficial de agua, debido a diversos factores climatológicos que implican el cambio de fase de dicha lámina convirtiéndose el agua en vapor. Figura 40. Agua evaporada en el estanque 00000 Resultados 54 Como conclusión, el caso expuesto de utilizar el estanque como único sistema disipador para satisfacer las condiciones de confinamiento impuestas es inviable ya que prácticamente no se puede garantizar durante prácticamente ningún periodo de tiempo que el anfiteatro se encuentre a 27ºC. Esto es debido a las condiciones climáticas extremas y al modelo de simulación tan exigente planteado en el que se debe cumplir las condiciones de confort durante cinco días consecutivos con la instalación funcionando a pleno rendimiento. En un caso real, puede darse que sea suficiente con únicamente el estanque como sistema disipador tanto porque las condiciones climáticas sean más suaves como que los periodos de funcionamiento no sean continuos en el tiempo. Se plantea de forma extrema porque el objetivo es alcanzar una solución que, dada la situación más desfavorable posible, el sistema cumpla y sea capaz de satisfacer las necesidades que requieren. Cabe mencionar, que el grado de confinamiento juega un papel determinante, ya que las condiciones dentro del espacio acondicionado mejoran sustancialmente con el grado IV respecto al III por lo que se buscará la solución óptima para ambos casos, pero es importante tener en cuenta que un mayor grado de confinamiento implica un menor consumo eléctrico por lo que puede ser determinante de cara al resultado final. Como próxima solución se propone colocar un sistema de postenfriamiento evaporativo a la salida de la batería, insertado el sistema en la propia unidad de tratamiento de aire. Como aspecto a destacar, la implementación del postenfriamiento evaporativo te reduce la temperatura del aire, pero aumenta la humedad, por lo que un exceso en el aumento de la humedad es contraproducente reduciendo el confort térmico y provocando la sudoración en las personas asistentes. Para determinar el volumen se toma la temperatura del depósito a la hora crítica para una variedad de volúmenes que oscila desde los 5 𝑚3 a los 60 𝑚3. La determinación de los datos se da bajo las siguientes condiciones: - Batería asociada al estanque no operativa. - Temperatura inicial del depósito de 20ºC. - Se simulan primero 3 días en los que sólo opera la cubierta dual (enfriamiento) y 5 días más añadiendo las distintas tecnologías de disipación (ceiling y batería asociada al depósito). - Las condiciones climatológicas de simulación son las mismas todos los días. - La temperatura del depósito adquirida corresponde a las 16.00h del octavo día de simulación, correspondiente a la temperatura exterior crítica. - Los caudales de aire y agua son 8000 𝑙 ℎ y 8612 𝑙 ℎ respectivamente A medida que se avanza en la búsqueda del volumen de depósito adecuado, aparece el estanque con su batería correspondiente y el sistema de postenfriamiento evaporativo. Tabla 7. Volúmenes de depósito a estudio 55 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Figura 41. Temperatura del agua del depósito a las 16:00h en función del volumen del depósito Los datos de temperatura del agua se obtienen bajo una situación muy desfavorable ya que se simulan 5 días de funcionamiento a pleno rendimiento con condiciones climatológicas correspondientes al día más caluroso del verano. Aunque esto sea así, gracias a los valores obtenidos es posible determinar que rango de volúmenes es el más adecuado. De la tabla obtenida se deduce que a medida que se aumenta el volumen del depósito el decremento de la temperatura disminuye entre el valor actual y el siguiente hasta niveles en los que incrementar el volumen no proporciona un descenso de la temperatura mayor al 1%. A partir de los 40 𝑚3, aumentar el volumen del depósito sólo propicia decrementos de temperatura inferior al 1%, por lo que se decide seleccionar el rango comprendido entre los 30 𝑚3 y los 40 𝑚3 para ser evaluados como posibles soluciones. Para ello, se realiza una evolución temporal de la temperatura del agua para cada uno de los volúmenes, es decir, para 30 𝑚3, 35 𝑚3 y 40 𝑚3 como se detalla a continuación. Figura 42. Evolución de la temperatura del agua del depósito para tres volúmenes dado En la gráfica se representa la evolución temporal de la temperatura del agua para los distintos volúmenes de depósitos a estudio. El primer tramo de la gráfica corresponde a los tres primeros días en los que sólo opera la cubierta dual. Durante este tramo, el agua se somete únicamente a pérdidas de calor y se desprecia cualquier Resultados 56 ganancia de calor a través de las paredes del recipiente, ya que se considera totalmente aislado. De la simple observación se deduce que, a menor volumen, mayor capacidad de enfriamiento por parte de la cubierta dual, por lo que el depósito de 30 𝑚3 al tercer día de simulación presenta una temperatura inferior a la de los volúmenes de 35 𝑚3 y 40 𝑚3respectivamente. Esto se debe a que tanto el agua lanzada por la cubierta radiante como la impulsada por las boquillas (enfriamiento evaporativo) es la misma independiente del tamaño del depósito por lo que para un tiempo de funcionamiento determinado es lógico que el de menor masa de agua se enfríe con mayor rapidez. A partir del cuarto día, se incorporan la cubierta interior y la batería de la UTA asociada al depósito. Esto implica que durante el día el agua se calentará ya que su función es enfriar el aire del recinto y mantener la cubierta a una temperatura de consigna para garantizar el confort térmico. Desde este día hasta el octavo de funcionamiento, el agua del depósito con menor volumen alcanza temperaturas mayores durante el día mientras que el de mayor volumen no aumenta de forma tan brusca su temperatura, lo que garantiza una mayor efectividad a la hora de enfriar el aire y del mantenimiento de la temperatura de consigna de la cubierta. Otro de los aspectos que se deduce de este análisis temporal es la fluctuación entre la máxima temperatura y mínima que alcanza cada uno de los depósitos en función del volumen de agua. Si se observa con detenimiento, el ∆T desciende a medida que el tamaño del depósito aumenta su volumen. Como es lógico, para un incremento de masa, mayor aporte de calor (en caso de calentamiento) o disipación (en caso de enfriamiento) para alcanzar una misma temperatura deseada. Por último, cabe mencionar la fluctuación general de los primeros días de funcionamiento en busca de un equilibrio, es decir, igualdad entre la energía disipada y la obtenida. Esta igualdad se aprecia a partir del sexto día hasta el último, en el que la curva o onda se vuelve periódica alcanzando la misma temperatura para cada instante de tiempo representado. Las condiciones de diseño establecidas previamente señalan la necesidad de un depósito en el que la temperatura oscile entre los 20ºC y 24ºC. Como en ninguno de los casos expuestos anteriormente se dan dichas condiciones, se procede a la búsqueda del volumen que satisfaga la condición impuesta. Figura 43. Evolución de la temperatura del depósito de 180 m3 La determinación del volumen que cumple las condiciones previamente establecidas se ha realizado a base de prueba y error utilizando el modelo de simulación desarrollado. Se trata de un volumen 4.5 veces superior al máximo volumen analizado anteriormente. Durante el periodo de funcionamiento, a diferencia de los casos anteriormente expuestos, no se alcanza la estacionalidad. Para observar dicha periodicidad es necesario aumenta el número de días de funcionamientos simulados. Al final del periodo de funcionamiento simulado, se comprueba que el volumen no supera los 24ºC establecidos como parámetros de diseño. Debido a las restricciones de espacios en el lugar donde se va a llevar a cabo la instalación, colocar un depósito 57 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) con un volumen de 180 𝑚3 es totalmente inviable por lo que la determinación del volumen del depósito adecuado se ve avocada al modo de funcionamiento mixto, es decir, el estanque y el depósito de manera simultánea asociado cada uno a una batería perteneciente a la UTA. Con esta medida, se garantiza una disminución del calor aportado por el aire proveniente del exterior al agua del depósito ya que el sistema consta de dos baterías en serie, siendo la primera de ellas la asociada al estanque, la cual afronta un mayor ∆T entre la temperatura del aire exterior y el agua del estanque. Esto implica que el ∆T entre el aire proveniente de la primera batería y el agua del depósito sea inferior a los casos expuestos anteriormente garantizando una disminución considerable de la temperatura del agua del depósito para los volúmenes anteriormente comentados. En la siguiente gráfica se representa nuevamente el volumen necesario para garantizar las condiciones de diseño una vez tomada la medida mencionada para paliar el incremento brusco de temperatura en el agua del depósito. Figura 44. Evolución de la temperatura del depósito de 55 m3 Gracias a la introducción del estanque en la búsqueda del volumen de depósito óptimo en la instalación, se reduce en más de un tercio el volumen necesario para satisfacer el rango de temperaturas de diseño. Este volumen de 55 𝑚3 garantiza durante los cinco días a pleno rendimiento que no se supere la temperatura de 24ºC deseada en el depósito. En la búsqueda del volumen mínimo de depósito, es necesario recordar que la obtención de dicho volumen se realiza en condiciones críticas climáticas y de funcionamiento pleno de la instalación durante el periodo de cinco días. Por ello, se deduce que este volumen obtenido es el óptimo desde el lado de la seguridad más rigurosa. Como ya se ha comentado, la restricción de espacio para la colocación de dicho depósito obliga a disminuir este volumen óptimo obtenido aún más. Debido a ello, la condición de diseño predominante es la de garantizar una temperatura en el recinto acondicionado no mayor de 27ºC por lo que la condición de diseño asociada a la temperatura pasa a un segundo plano en este caso de simulación extrema. Por ello, se procede a ver la evolución de la temperatura del recinto para los casos de volumen del depósito llevados a estudio en primer lugar, que si están dentro del rango de capacidad máxima que se pueden instalar en dicha instalación. Resultados 64 5.4.2 Modo noche aire Figura 51. Esquema modo noche aire Simultáneamente con el modo anteriormente descrito, se utilizan los conductos enterrados para enfriar el terreno. El aire proveniente del exterior entre las 00:00h y las 8:00h está a menor temperatura que el terreno por lo que durante su recorrido a través de los conductos el terreno le cede calor, enfriándose este. Si la temperatura del exterior no es lo suficientemente baja como para enfriar el terreno, se dispone de un sistema regenerativo por qanat el cuál realiza un preenfriamiento evaporativo del aire a introducir. La lista de sensores y actuadores para este modo se muestra a continuación: Tabla 10. Lista de sensores modo noche Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura y humedad de aire CE1 Temperatura y humedad de salida de los conductos enterrados Qanat I Temperatura y humedad de aire CE2 Temperatura y humedad de salida de los conductos enterrados Qanat II Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua REG1 Ventilador de impulsión conductos enterrados QANAT I y/o REG1 Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua REG2 Ventilador de impulsión conductos enterrados QANAT II y/o REG 2 Temperatura y humedad de aire REG1 Temperatura y humedad de entrada conductos enterrados QANAT I – impulsión REG1 Temperatura y humedad de aire REG2 Temperatura y humedad de conductos enterrados QANAT II – impulsión REG2 65 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) 5.4.3 Modo arranque día – Bomba de calor Figura 52. Esquema modo arranque día - bomba de calor Tras la finalización de los dos modos noche presentado, agua y aire, la instalación dispone de un intervalo de tiempo comprendido entre las 8:00h y la hora de arranque del acondicionamiento del espacio para continuar enfriando el agua de los qanats por si no se ha alcanzado la temperatura deseada de arranque durante el enfriamiento nocturno. El agua del circuito cerrado que comprende los colectores tanto de impulsión como de retorno es enfriada por la bomba de calor (BdC) e impulsada por la bomba B14 hacia el colector de impulsión. El agua desde el colector es llevada hasta un intercambiado (INT1) por la bomba B4. En el intercambiador, el agua fría proveniente de la bomba de calor absorbe el calor del agua de los qanats, enfriando así estos hasta la temperatura de arranque deseada de 19ºC. En cuanto al agua del qanat, es impulsada por la bomba B13, cuyo caudal de cada qanat se determina por la válvula V4. Una vez transferida la energía en el intercambiador, el agua vuelve a los qanats a través de la válvula V1 que direcciona el fluido. En función de la potencia de enfriamiento de la bomba de calor, y la temperatura de los qanats tras el modo enfriamiento nocturno, será necesario un mayor o menor periodo de funcionamiento de la bomba para alcanzar la temperatura de arranque deseada. Es importante reducir la necesidad de la potencia de enfriamiento de la bomba de calor al mínimo para reducir el impacto de esta. De nuevo se realiza una tabla con los actuadores y sensores que ayudarían al correcto control de la instalación: Tabla 11. Lista de sensores modo arranque día - bomba de calor Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura de agua INT1 Entrada intercambiador enfriamientocalentamiento Qanat con BdC - lado agua del Qanat Temperatura de agua INT1 Salida intercambiador enfriamiento-calentamiento Qanat con BdC - lado agua del Qanat Caudalímetro digital B13 Impulsión bomba intercambiador Qanats - BdC Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B4 Bomba B4 Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B13 Bomba B13 Resultados 66 Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B14 Bomba B14 Actuador válvula motorizada con regulación 0 a 100% continua V4 Circuito aspiración Bomba intercambiador Qanats - BdC Actuador válvula motorizada con regulación 0 a 100% continua V1 Circuito impulsión Bomba intercambiador Qanats - BdC Caudalímetro digital B14 Impulsión bomba BdC 67 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) 5.4.4 Modo día – Cubierta radiante Figura 53. Esquema modo día - cubierta radiante En cuanto el zoco se encuentre operativo y se alcancen temperaturas en cubierta superiores a la deseada, iniciara el funcionamiento de la cubierta radiante. Dicha cubierta radiante tiene como objetivo mantener la temperatura de la cubierta prácticamente constante sobre los 26-27ºC para que tanto los ocupantes, como los objetos presentes irradien el calor hacia el techo, garantizando de esta forma el confort térmico de los asistentes. El aire caliente tiende a subir al foco frío, generando cierta corriente de aire. El intercambio de calor agua-agua se lleva a cabo a través del intercambiador (INT3) que conecta el agua en circuito cerrado de la cubierta radiante con el agua proveniente del qanat. Al igual que en casos anteriores, se dispone de una válvula de tres vías tanto en la impulsión como en el retorno que permite elegir de que qanat se desea tomar el agua o una mezcla de ambos. Para el control de la cubierta radiante se necesitan una serie de sensores y actuadores para garantizar su correcto control y funcionamiento: Tabla 12. Lista de sensores cubierta radiante Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura de agua INT3 Temperatura de agua a la entrada de la cubierta ZOCO Temperatura de agua INT3 Temperatura de agua a la salida de la cubierta ZOCO Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B12 Bomba cubierta ZOCO - Regulación caudal Temperatura de agua INT3 Temperatura de agua a la entrada intercambiador cubierta ZOCO Temperatura de agua INT3 Temperatura de agua a la salida intercambiador cubierta ZOCO Caudalímetro digital B12 Impulsión bomba cubierta ZOCO Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B11 Bomba impulsión para intercambiador cubierta ZOCO Resultados 68 Actuador válvula motorizada con regulación 0 a 100% continua V3 Válvula Qanat - aspiración bomba Actuador válvula motorizada con regulación 0 a 100% continua V2 Válvula Qanat - Retorno bomba Caudalímetro digital B11 Bomba impulsión para intercambiador cubierta ZOCO Temperatura superficial CUB.R Temperatura en el techo interior de la cubierta zoco. Tantos puntos como sectorización tenga la cubierta zoco 69 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) 5.4.5 Disipación estanque anfiteatro Figura 54. Esquema disipación estanque anfiteatro El sistema de disipación del estanque consta de un conjunto de boquillas sobre la superficie del mismo a una cierta altura, las cuales impulsan el agua a alta presión gracias a la bomba B5 consiguiéndose de esta forma la evaporación de parte de la gota y por tanto, el enfriamiento del agua del estanque. En un primer lugar, el sistema de disipación podía funcionar a cualquier hora del día mientras se cumpla que la temperatura del agua del estanque es mayor que la temperatura de bulbo húmedo más un diferencial de temperatura. Tras el estudio de la variación de la energía interna de la lámina de agua del estanque, se determina que no es necesario que esté siempre funcionando mientras se cumpla la condición mencionada, sino que el periodo se limita al intervalo comprendido entre las 13:00h y las 23:00h. Esto es debido a que durante el periodo en el que la instalación no se encuentra en funcionamiento no es necesario que el volumen de acumulación contenga el agua fría ya que en el instante que deja de funcionar dicho sistema de disipación, las ganancias son enormes debido a la exposición del estanque a las condiciones climáticas y la falta de aislante sobre el terreno. Para llevar a cabo el proceso de disipación del agua del estanque y que cuyo funcionamiento global sea óptimo es necesario la monitorización y control de todos sus componentes: Tabla 13. Lista de sensores disipación estanque anfiteatro Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura de agua DIS1 Estanque Nivel de agua digital DIS1 Estanque Actuador válvula de llenado DIS1 Estanque - reposición de agua de manera automática Temperatura de agua DIS1 Entrada sistema de disipación de estanque Caudalímetro digital B5 Impulsión bomba del sistema de disipación estanque Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B5 Bomba del sistema disipación estanque conexión a BMS Resultados 70 5.4.6 UTA anfiteatro Figura 55. Esquema UTA anfiteatro El acondicionamiento del anfiteatro viene dado por la impulsión de aire enfriado a través de la unidad de tratamiento de aire. La batería 1 recibe el agua del estanque enfriado previamente mediante el sistema descrito anteriormente, y la batería 2 consta de un circuito cerrado de agua cuya agua es enfriada en la bomba de calor. Este sistema funciona siempre y cuando sea necesario acondicionar el anfiteatro, mientras que, si con una sola batería (BAT-1) fuera posible alcanzar el acondicionamiento, la batería 2 se mantendría apagada evitando así el uso de la bomba de calor. Para que dicho sistema sea capaz de solo funcionar con la batería 1, las condiciones climáticas deben ser livianas, no muy superiores a la temperatura de consigna impuesta y cuya tasa de funcionamiento de la instalación sea reducida. Tabla 14. Lista de sensores esquema UTA anfiteatro Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura de agua BAT-1 Entrada del agua batería UTA anfiteatro - Estanque Temperatura de agua BAT-1 Salida del agua batería UTA anfiteatro - Estanque Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B6 Bomba Estanque - UTA Caudalímetro digital B6 Agua - Impulsión bomba Estanque-UTA Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua FAN Ventilador de impulsión UTA Temperatura de agua BAT-2 Temperatura de agua a la entrada batería UTA anfiteatro - colector impulsión BdC Temperatura de agua BAT-2 Temperatura de agua a la salida batería UTA anfiteatro - colector de retorno BdC Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua B1 Bomba colector de impulsión BdC - UTA Anfiteatro 71 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Caudalímetro digital B1 Bomba colector de impulsión BdC - UTA Anfiteatro Temperatura y humedad de aire ANFITEATRO Anfiteatro Temperatura y humedad de aire UTA-BAT-1 Temperatura y humedad de salida de la batería 1 de la UTA anfiteatro Temperatura y humedad de aire UTA-BAT-2 Temperatura y humedad de salida de la batería 2 de la UTA anfiteatro - impulsión Resultados 72 5.4.7 Modo operación conductos enterrados Figura 56. Esquema modo operación conductos enterrados Se dispone de un total de diez conductos enterrados, cinco por qanat, por los que circula un caudal variable de aire que se enfría a lo largo de los 40 metros de qanat, como si de un intercambiador de calor se tratase, y es introducido en el espacio a acondicionar. Los conductos enterrados son el primer sistema de acondicionamiento del espacio que empiezan a funcionar si el recinto se encuentra por encima de los 27ºC de temperatura de consigna impuesta y dentro del horario de funcionamiento. El control de los conductos enterrados se realizará mediante los siguientes sensores y actuadores: Tabla 15. Lista de sensores conductos enterrados Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura y humedad de aire UT2 Temperatura entrada batería UT conductos enterrados QANAT II Temperatura y humedad de aire UT1 Temperatura entrada batería UT conductos enterrados QANAT I Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua FAN1 Ventilador de impulsión conductos enterrados QANAT I Regulación de variador de frecuencia 0 a 100% de manera continua FAN2 Ventilador de impulsión conductos enterrados QANAT II Temperatura y humedad de aire CE1 Temperatura entrada conductos enterrados QANAT I Temperatura y humedad de aire CE2 Temperatura entrada conductos enterrados QANAT II 73 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) 5.4.8 Modo de operación conductos sumergidos Figura 57. Esquema modo de operación conductos sumergidos superiores Figura 58. Esquema modo de operación conductos sumergidos inferiores Se dispone de 4 conductos sumergidos por qanat, dos superiores y dos inferiores. Esto es porque el aire fluye en direcciones cruzadas dos a dos. En los dibujos se aprecia como el aire introducido por los conductos superiores circula de izquierda a derecha, mientras que por los inferiores lo hace de derecha a izquierda. Con esto se consigue una mejor distribución del aire impulsado en el espacio acondicionado. Los conductos sumergidos entran en funcionamiento cuando es imposible mantener el espacio acondicionado a la temperatura de consigna mediante el uso de los conductos enterrados y las barreras evaporativas, encargadas de enfriar el aire proveniente del oeste del zoco. Dichos conductos son controlados y monitorizados mediante los siguiente sensores y actuadores: Tabla 16. Lista de sensores conductos enterrados Tipología Equipo asociado Descripción Temperatura y humedad de aire CSS1 Temperatura entrada pareja conductos sumergidos superior QANAT I Temperatura y humedad de aire CSS2 Temperatura entrada pareja conductos sumergidos superior QANAT II Temperatura y humedad de aire CSS1 Temperatura salida pareja conductos sumergidos superior QANAT I Resultados 80 En cuanto al consumo, al utilizar el caudal variable, este se ve sustancialmente reducido. Si se analiza la tabla inferior, se observa que el consumo del ventilador disminuye al igual que el de la bomba. Por otro lado, y de forma indirecta, al trabajar durante ciertos periodos con caudales inferiores a los 10000 𝑚3 ℎ, el agua del estanque tiene menores ganancias de calor por lo que implica un menor uso del sistema evaporativo. Tabla 23. Ahorro energético con el control de caudal variable en conductos enterrados. En el caso de que la bomba de calor no pudiera trabajar a una temperatura inferior a las analizadas, se garantiza que para 14ºC de temperatura mínima del agua y cualquiera de los caudales de aire estudiados se obtiene una temperatura del recinto igual a 27ºC. Con el objetivo de optimizar, para 19ºC de temperatura mínima del agua y un caudal de 10000 𝑚3 ℎ de aire se garantiza el 97% del tiempo de funcionamiento de la instalación la temperatura de consigna del recinto. De esta forma, se garantiza que si la temperatura del agua de impulsión de la bomba de calor fuese constante a 19ºC y un caudal de aire a introducir en el recinto de 10000 𝑚3 ℎ se garantizaría el acondicionamiento total durante los 5 días consecutivos de funcionamiento con la instalación a pleno rendimiento. Cabe destacar, que es inviable trabajar permanentemente con agua a 19ºC ya que el consumo crece y el espacio acondicionado se encontraría por debajo de la temperatura de consigna durante la mayor parte del tiempo, de ahí la necesidad de una bomba de calor que regule en función de la necesidad por cortos periodos de tiempo. 81 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Durante el periodo de funcionamiento de ambas instalaciones, existe un periodo en el que la bomba de calor trabaja tanto para las unidades terminales a la salida de los conductos enterrados como para el agua de la batería 2 de la unidad de tratamiento de aire. Es por ello, que la bomba de calor cuando trabaja simultáneamente para ambas instalaciones debe suministrar el agua mínima requerida entre las dos instalaciones, provocando esto que la temperatura de uno de los dos recintos quede por debajo de la temperatura de consigna. Para determinar cual de las dos instalaciones es más exigente en términos de temperatura de agua de impulsión de la bomba, se calcula la temperatura requerida en las unidades terminales para satisfacer la temperatura de consigna del recinto. A continuación, se muestra un cronograma del desarrollo diario de las instalaciones y el momento en el que empieza a funcionar la bomba de calor para ambas instalaciones: Figura 62. Cronograma instalación. Para el periodo comprendido entre las 13:00h y las 19:40h se calcula la temperatura de agua de impulsión de la bomba de calor tanto para la batería asociada como para las unidades terminales de forma independiente. Figura 63. Temperatatura deagua de impulsión de la bomba de calor necesaria para la bateria vs las unidades terminales. Los resultados muestran que la batería del estanque requiere una temperatura de agua de impulsión de la bomba de calor menor que la necesaria en el caso de las unidades terminales. Para llevar a cabo dicha gráfica, se ha fijado el caudal del anfiteatro a 10000 𝑚3 ℎ y el aire a través de los conductos enterrados de 32000 𝑚3 ℎ durante 8:00 •Se empieza a enfriar el agua de los Qanats mediante la utilización de la BdC hasta los 19ºC. Para ello, he considerado que la bomba trabaja en condiciones nominales (Bomba de 63.2 kW enfriamiento) En este periodo he considerado el EER constante 11:00 •Comienza a funcionar la instalación. Agua de los Qanats garantizada a 19ºC 13:00 •Las unidades terminales entran en juego por lo que es necesario el uso de la BdC de manera simultánea con la batería de la UTA 19:40 •Según el orden de prioridades tomado, a partir de este momento no es necesario utilizar la BdC para las unidades terminales, por lo que se garantiza la T consigna zoco mediante las barreras evaporativas, conductos enterrados (sin UT) y conductos sumergidos 22:00 •Cierre del zoco y el anfiteatro. Fin del acondicionamiento Resultados 82 todo el periodo de funcionamiento. De el caso del funcionamiento de las unidades terminales de forma independiente, se obtiene que el consumo eléctrico de la bomba de calor es de 25.8 kWh por cada unidad, con una potencia pico de enfriamiento de 20 kW por unidad. Si se suman las potencias pico, tanto de las unidades terminales como de la batería para 10000 𝑚3 ℎ se obtiene un resultado total de 67 kW pico. Se deduce, por tanto, que la temperatura de agua de impulsión de la bomba de calor viene determinada por la batería ya que exige en todo momento una temperatura del agua inferior a las unidades terminales. Es por esto por lo que se procede a ver la evolución de la temperatura del zoco con la temperatura de impulsión de agua de la bomba de calor requerida para la batería como se muestra a continuación: Figura 64. Evolución temperatura zoco con el agua de la bomba de calor a temperatura requerida. En la gráfica se representa por un lado la temperatura exterior a modo informativo y por otro el periodo de funcionamiento de cada sistema en el zoco. En la parte central se recoge lo verdaderamente interesante, la diferencia en la temperatura interior del zoco entre utilizar el agua requerida y el agua necesaria para la batería. Si se utiliza la temperatura requerida por las unidades terminales para cada periodo de 10 minutos, la instalación del zoco se mantiene en los 27ºC de temperatura de consigna impuesta, mientras que, si se utiliza el agua demandada por la batería de la UTA, la temperatura del espacio acondicionado durante el periodo simultáneo de funcionamiento de la bomba de calor para las dos instalaciones es inferior a los 27ºC. Con estos resultados, se pretende fijar el caudal de los conductos enterrados y barajar las posibilidades existentes que permitan ahorrar energía. Casos a estudio para evitar el exceso de enfriamiento en el zoco 1. Reducir la tasa de funcionamiento de las barreras evaporativas durante el periodo de funcionamiento de la bomba de calor para ambas instalaciones a 0. 83 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Figura 65. Evolución temperatura zoco con el agua de la bomba de calor a temperatura requerida inutilizando el uso de las barreras evaporativas. Cuando las barreras evaporativas son apagadas durante el periodo comprendido entre las 13:00h y las 19:40h, la temperatura del zoco se dispara por encima de la temperatura de consigna por lo que esta medida en inviable, aunque se obtenga un 70% de ahorro de agua. 2. Reducir la eficiencia de las barreras evaporativas a 0.6 Figura 66. Evolución temperatura zoco con el agua de la bomba de calor a temperatura requerida reduciendo el uso de las barreras evaporativas a 0.6 la eficiencia. Con esta medida se reduce el consumo de agua en un 10% y la temperatura del zoco sigue siendo inferior a la de consigna por lo que hay margen de optimización. 3. Reducir la eficiencia de las barreras evaporativas a 0.5 Resultados 84 Figura 67. Evolución temperatura zoco con el agua de la bomba de calor a temperatura requerida reduciendo el uso de las barreras evaporativas a 0.5 la eficiencia. Con dicha reducción de eficiencia, se obtiene un ahorro de agua del 20% respecto al uso continuado con una eficiencia de 0.7. Por un periodo de tiempo, la temperatura del recinto supera la temperatura de consigna, siendo la temperatura en el interior de 27.1ºC. 4. Apagar conductos sumergidos Figura 68. Evolución temperatura zoco con el agua de la bomba de calor a temperatura requerida inutilizando los conductos sumergidos. Esta última medida estudiada, lleva consigo un ahorro de energía por parte de los ventiladores asociados a los conductos sumergidos y se garantiza las condiciones de confort en el interior del recinto. Por otro lado, el agua de los qanat tiene menores ganancias de calor, siendo la temperatura del agua al final del día de 23ºC frente a los 25ºC si se mantienen encendidos. La manera más sencilla de optimizar la instalación con un control predictivo o correctivo es a partir de las modificaciones de los caudales, como también del número de ramales de las barreras evaporativas que estén en funcionamiento. 85 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) 5.7.1 Cálculo de pérdidas en conductos En la siguiente tabla se recogen las especificaciones técnicas de los conductos enterrados que se han adoptado: Tabla 24. Conductos enterrados. NÚMERO DE CONDUCTOS LONGITUD CONDUCTO (M) DIÁMETRO HIDRÁULICO (M) 10 40 0.35 Es necesario señalar que si la sección de los conductos es circular el diámetro coincide con el diámetro hidráulico. Una vez conocido estos parámetros, a continuación, se presentan las propiedades del aire a 20ºC y 1 atm que se utilizarán de forma invariable ya que se supone el aire como fluido incompresible para facilitar el cálculo de las pérdidas. Tabla 25. Propiedades del aire. PRESIÓN (ATM) TEMPERATURA (ºC) DENSIDAD (𝒌𝒈 𝒎𝟑) VISCOSIDAD ( 𝒌𝒈 𝒎∗𝒔) 1 20 1,204 1.849*10−5 Con el objetivo de obtener la curva característica que determine el consumo en función del caudal, es necesario conocer al menos tres puntos de funcionamiento que permita modelar dicha curva con cierta exactitud. Para ello, se eligen tres caudales diferentes y se calcula las pérdidas para cada uno de ellos en los conductos ya expuestos. Los resultados obtenidos se recogen en la siguiente tabla: Tabla 26. Pérdidas de carga en conductos enterrados para diferentes caudales. CAUDAL (𝒎𝟑 𝒉) VELOCIDAD DEL FLUIDO (𝒎 𝒔) NÚMERO DE REYNOLDS 𝒇 ∆𝑷𝒇(PA) 16000 9.24 210562 0.015 90.91 12000 6.93 157921 0.016 54.13 10000 5.77 131601 0.017 39 Conocidas las pérdidas por circulación, es necesario tener en cuenta que en la instalación se dispone de un filtro de aire al inicio de los conductos y una unidad terminal al final de ellos, cuyos elementos ocasionan pérdidas de carga determinantes. Para ello, se toma un filtro de aire de calidad G4, cuyas pérdidas de carga son de 150 Pascales máximo según la normativa EN 13053. En cuanto a las pérdidas de carga en la unidad terminal, se toma como dato del fabricante de dicha unidad capaz de funcionar con un caudal máximo de 16000 (𝑚3 ℎ)cuyas pérdidas son de 50 Pascales aproximadamente. Por lo tanto, las pérdidas de carga totales para cada uno de los caudales a estudio son las siguientes: Tabla 27. Pérdidas de carga totales en conductos enterrados para diferentes caudales. Resultados 86 CAUDAL (𝒎𝟑 𝒉) PÉRDIDAS DE CARGA TOTALES (PA) 16000 290.91 12000 254.13 10000 239 Estimado el punto de funcionamiento de la instalación para distintos caudales, se procede a conocer el consumo correspondiente gracias a los datos facilitados por el fabricante de ventiladores Systemair[50]. Gracias a su herramienta, es posible determinar el consumo de un fan para los tres puntos de funcionamiento obtenidos y a partir de esos datos determinar la curva que permita conocer el consume para cualquier caudal dado. Figura 69. Curva característica ventilador conductos enterrados. La curva característica obtenida es valida para los conductos enterrados cuya expresión matemática que define la potencia en función del caudal deseado es la siguiente: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙∗(1.1852∗(𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙)2−0.7407∗(𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙)+0.5556) Donde, 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 16000 (𝑚3 ℎ) 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 1800 W En el caso de los conductos sumergidos en los Qanats el procedimiento es exactamente el mismo que el expuesto anteriormente. Tantos en los conductos sumergidos como en los enterrados se parte de la hipótesis de que tienen las mismas características geométrica, pero en el caso de los sumergidos, el caudal nominal es aproximadamente la mitad de los enterrados y el número total de conductos es de ocho por lo que se procede a obtener otra curva característica para el ventilador encargado de impulsar el aire a través de estos. 87 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Tabla 28. Pérdidas de carga en los conductos sumergidos. CAUDAL (𝒎𝟑 𝒉) VELOCIDAD DEL FLUIDO (𝒎 𝒔) NÚMERO DE REYNOLDS 𝒇 ∆𝑷𝒇(PA) 8300 5.99 136536 0.017 41.67 7000 5.05 115151 0.017 30.69 6000 4.33 98700 0.018 23.28 Por otro lado, a la salida de los conductos sumergidos no hay colocada una unidad terminal por lo que el total de las pérdidas de carga vienen dadas por las pérdidas por circulación más las asociadas al filtro G4 seleccionado. Tabla 29. Pérdidas de carga totales en los conductos sumergidos. CAUDAL (𝒎𝟑 𝒉) PÉRDIDAS DE CARGA TOTALES (PA) 8300 191.67 7000 180.69 6000 173.28 A continuación, se presenta la curva característica de los ventiladores utilizados en los conductos sumergidos gracias a los datos obtenidos por la herramienta Systemair. Figura 70. Curva característica conductos sumergidos. La expresión matemática que proporciona la potencia consumida en función del caudal deseado es la siguiente: Resultados 88 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙∗ (2.304∗(𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙)2−2.423∗(𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙)+1.119) Donde, 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 8300 (𝑚3 ℎ) 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 700 W Por último, se procede a estimar las pérdidas que conlleva el ventilador equipado en la unidad de tratamiento de aire. Para ello, es necesario partir de la premisa de que para una correcta distribución del aire en el espacio confinado es necesario que el aire llegue con una presión de 200 Pa a la cabecera de distribución. A continuación, se recoge en una tabla las pérdidas de presión a través de ambas baterías colocadas y del filtro G4, cuyos datos son facilitados por el fabricante TROX[43]. Tabla 30. Pérdidas en la UTA. PÉRDIDAS BATERÍA ESTANQUE (PA) PÉRDIDAS BATERÍA BOMBA DE CALOR (PA) FILTRO G4 (PA) 159 54 150 En este caso, para determinar las pérdidas por circulación del flujo es necesario tomar la hipótesis del diámetro del conducto de aproximadamente 0.6 m para así evitar velocidades superiores a 10 𝑚 𝑠 y la longitud de estos hasta la cabecera de aproximadamente 20 m, debido a su desconocimiento exacto, por lo que se sobredimensiona. Tabla 31. Pérdidas en la distribución de aire en el anfiteatro. CAUDAL (𝒎𝟑 𝒉) VELOCIDAD DEL FLUIDO (𝒎 𝒔) NÚMERO DE REYNOLDS 𝒇 ∆𝑷𝒇(PA) 10000 9.82 383836.21 0.014 26.75 8000 7.86 307068.97 0.014 17.85 6000 5.89 230301.73 0.015 10.61 En la siguiente tabla se muestran las pérdidas de carga totales para asegurar los 200 Pascales en la cabecera. 89 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) Tabla 32. Pérdidas totales en la distribución de aire en el anfiteatro. CAUDAL (𝒎𝟑 𝒉) PÉRDIDAS DE CARGA TOTALES (PA) 10000 390+200 8000 381+200 6000 374+200 Ya determinada la presión de impulsión deseada, se procede a obtener la curva característica mediante la elección de un ventilador de la empresa SYSTEMAIR, que satisfaga los tres puntos de funcionamiento calculados. Figura 71. Curva característica ventilador UTA. La expresión matemática que proporciona la potencia consumida en función del caudal de aire deseado para ser enfriado e introducido en el anfiteatro es la siguiente: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙∗ (1.5625∗(𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙)2−1.5625∗(𝑄𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙)+1) Donde, 𝑄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 10000 (𝑚3 ℎ) 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 = 2400 W 5.7.2 Cálculo de pérdidas en tuberías En el proyecto desarrollado, el elemento principal es el agua por lo que la instalación hidráulica es la más extensa. Por ello, es de vital importancia conocer la potencia absorbida por cada bomba para conocer el consumo global y = 1.5625x2- 1.5625x + 1 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 Factor de potencia(P/Pnominal) Factor de carga parcial(Q/Qnominal) Referencias 96 96 97 Evaluación de técnicas bioclimáticas de acondicionamiento y gestión del control en el anfiteatro de la isla de la Cartuja (Sevilla) REFERENCIAS [1] M. Santamouris, “Innovating to zero the building sector in Europe: Minimising the energy consumption, eradication of the energy poverty and mitigating the local climate change,” Sol. Energy, vol. 128, pp. 61–94, 2016, doi: 10.1016/j.solener.2016.01.021. [2] Consejo de la Unión Europea, “DIRECTIVA (UE) 2018/2002 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 11 de diciembre de 2018 por la que se modifica la Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética,” vol. 2018, pp. 37–39, 2018, doi: 10.2903/j.efsa.2013.3381. [3] L. 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