Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana

1 Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Autor: Carlos García García Tutor: Servando Álvarez Domínguez Co-tutor: MCarmen Guerrero Delgado Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Índice de Tablas 2 3 3 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Autor: Carlos García García Tutor: Servando Álvarez Domínguez Co-tutor: María del Carmen Guerrero Delgado Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Índice de Tablas 4 5 5 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Proyecto Fin de Carrera: Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Autor: Carlos García García Tutor: Servando Álvarez Domínguez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal Índice de Tablas 6 7 7 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana A mi familia A mis profesores Índice de Tablas 8 9 9 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Agradecimientos Este trabajo ha sido posible gracias a los profesores del departamento de Termotecnica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Servando Álvarez Domínguez, María del Carmen Guerrero Delgado y María del Carmen Pavón Moreno. Y por supuesto, al apoyo incondicional de mi familia. Carlos García García Sevilla, 2020 16 17 17 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Pavimento permeable discontinuo con celdas de hormigón rellenas de césped. 22 Figura 1-2. Pavimento permeable discontinuos con celdas de plástico. 23 Figura 1-3. Pavimento asfáltico poroso. 23 Figura 1-4. Pavimento de hormigón poroso. 24 Figura 1-5. Cambios de fase de los PCM. 24 Figura 1-6. Clasificación de los materiales de cambio de fase (PCM). 25 Figura 1-7. Estructura de un pavimento fotovoltaico. 26 Figura 2-1. Esquema de la metodología. 28 Figura 2-2. Clasificación de los pavimentos. 29 Figura 2-3. Pavimento homogéneo (izquierda), pavimento heterogéneo (derecha). 29 Figura 2-4. Ejemplos de pavimentos drenantes. 29 Figura 2-5. Geometría tipo 31 Figura 2-6.Curva granulométrica del hormigón 32 Figura 2-7. Tipología de pavimentos analizados 33 Figura 2-8. Balance de energía en pavimentos. 36 Figura 3-1. Geometría de los pavimentos homogéneos. 39 Figura 3-2. Geometría de los pavimentos heterogéneos. 40 Figura 3-3. Representación de la temperatura superficial y a 10 cm del caso base. 41 Figura 3-4. Comparación de la temperatura superficial del caso base y de baja conductividad térmica. 43 Figura 3-5. Comparación de las temperaturas superficiales del caso baso y de media conductividad térmica. 44 Figura 3-6.Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de baja conductividad térmica. 45 Figura 3-7. Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de conductividad térmica media. 46 Figura 3-8. Comparación de la temperatura superficial del caso base y del caso de baja absortividad. 49 Figura 3-9. Comparación de la temperatura superficial del caso base y del caso media absortividad. 49 Figura 3-10. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y del caso de baja absortividad. 50 Figura 3-11. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superfice del caso base y del caso de baja absortividad. 51 Figura 3-12. Comparación de la temperatura superficial del caso base con el caso 1 sin riego. 57 Figura 3-13. Comparación de la temperatura superficial del caso base con el caso 2 con riego parcial. 57 Figura 3-14. Comparación de la temperatura superficial del caso base con el caso 3 con riego continuo. 58 Figura 3-15. Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y del caso 1 sin riego. 59 Índice de Figuras 18 Figura 3-16. Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y del caso 2 con riego parcial. 60 Figura 3-17. Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y del caso 3 con riego continuo. 60 Figura 3-18. Comparación de la temperatura superficial del caso base y de los casos con variación de fracción de huecos 63 Figura 3-19. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de los casos con variación de la fracción de huecos. 64 Figura 3-20. Comparación de la temperatura superficial del caso base y de los casos con variación del diámetro de la partícula. 66 Figura 3-21. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de los casos con variación del diámetro de partícula. 68 Figura 3-22. Pavimento con variación geométrica de la superficie heterogénea. 70 Figura 3-23. Comparación de la temperatura superficial del caso base y de los tres tipos de distribución con variación geométrica de la superficie heterogénea. 73 Figura 3-24. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de los cosas con variación geométrica de la superficie heterogénea. 74 Figura 3-25. Comparación de la temperatura superficial del caso base y del caso de riego de 11:00 a 13:00. 76 Figura 3-26. Comparación de la temperatura superficial del caso base y del caso de riego de 11:00 a 17:00. 76 Figura 3-27. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superfcie del caso base y del caso con un riego de 11:00 a 13:00. 77 Figura 3-28. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superfcie del caso base y del caso con un riego de 11:00 a 17:00. 78 Figura 6-1. Selección de geometría. 12 Figura 6-2. Dimensiones. 13 Figura 6-3. "Sketches" 13 Figura 6-4. Realización del mallado. 14 Figura 6-5. Paso 1: Nombre del elemento. 15 Figura 6-6. Paso 2: Aplicación del elemento. 15 Figura 6-7. Paso 3: Resultado de la selacción del elemento. 16 Figura 6-8. Pavimento. 16 Figura 6-9. Ocultar una capa del pavimento. 17 Figura 6-10. Interfaz. 17 Figura 6-11. Interfaz. 18 Figura 6-12. Creación de la interfaz. 18 Figura 6-13. "Energy" ON. 19 Figura 6-14. Elección del tipo de material. 19 Figura 6-15. Biblioteca de materiales de "Fluent". 20 Figura 6-16. Propiedades del material. 20 Figura 6-17. Formato de la tabla. 21 19 19 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 6-18. Comandos para importar la tabla. 21 Figura 6-19. Asignar materiales a las capas del pavimento. 21 Figura 6-20. Archivo de resultados. 22 Figura 6-21. Archivo de resultados. 22 Figura 6-22. Exportar resultados. 23 Figura 6-23. Zona porosa. 24 Figura 6-24. Parámetros que definen una zona porosa. 24 INTRODUCCIÓN 20 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Contexto La isla de calor urbano (UHI) es uno de los fenómenos más preocupantes relacionados con el microclima urbano. Este efecto se caracteriza principalmente por temperaturas urbanas más altas en comparación con las de las áreas rurales circundantes [1]. Las principales razones de este efecto son el crecimiento de la población y el rápido aumento de la urbanización, que puede causar una acumulación de aire cálido, así como temperaturas superficiales más cálidas [2]. El fenómeno de la isla de calor de calor tiene consecuencias graves, en consumo energético y en bienestar de las personas. Como consecuencia del mismo disminuye el confort térmico debido al aumento de la temperatura. El calor contenido y generado en las ciudades proviene de dos fuentes principales, la primera es la radiación solar procedente del sol y la segunda de diversas fuentes de calor antropogénicas, como automóviles y sistemas de climatización. Este fenómeno se da en las grandes ciudades principalmente, ya que la inercia térmica de los edificios tiene un papel fundamental en el origen de la isla de calor urbana. Las estructuras urbanas absorben y almacenan radiación durante el transcurso del día, pero a lo largo de la noche la temperatura urbana disminuye y la energía almacenada en las estructuras urbanas es liberada al exterior. La isla de calor urbano está altamente determinada por el diseño urbano, el tipo de materiales utilizado en el tejido urbano, el tipo y características de los pavimentos, la cantidad de calor antropogénico liberado, estructura y propiedades de las ciudades, el clima y las condiciones meteorológicos locales [3]. En dicha línea, los pavimentos en las ciudades cubren una parte muy alta del tejido urbano. El impacto de los pavimentos urbanos en el desarrollo de la isla urbana del calor es muy importante. Las superficies pavimentadas convencionales absorben la radiación solar y presentan una temperatura superficial considerablemente alta. De hecho, varios estudios recientes han demostrado que los pavimentos convencionales se encuentran entre las principales fuentes que aumentan la temperatura urbana. Por este motivo aumenta el interés del desarrollo y uso de pavimentos que presentan una temperatura superficial más baja, colaborando en la mitigación de la isla de calor urbano y en la mejora del confort térmico. Éstos son denominados pavimentos fríos. 1.2 Pavimentos fríos Actualmente, la definición de pavimento frío no está definido de una sola forma, pero en general se entiende como pavimento frío aquel que mantiene una temperatura superficial menor que un pavimento convencional. Los pavimentos juegan un papel muy importante en el clima urbano debido a que ocupan el 20-40% de área de una ciudad típica. Su equilibrio térmico está determinado por la cantidad de radiación solar absorbida, la radiación infrarroja emitida, el calor transferido por convección al aire atmosférico, el calor almacenado en la masa del material y el calor transferido por conducción hacia el interior del pavimento. Esto provoca altas temperaturas superficiales de los pavimentos aumentando el calor sensible liberado a la atmósfera y por tanto contribuyen altamente al desarrollo de la isla urbana del calor. Los pavimentos fríos se obtienen modificando y agregando nuevos materiales en pavimentos convencionales. Hay diferentes tipos de pavimentos fríos, cada uno de ellos realizan un proceso diferente, pero tienen el mismo objetivo, reducir la temperatura superficial del pavimento. La investigación realizada en los últimos años ha permitido el desarrollo de tecnologías eficientes de pavimento, en el campo de la reflexión, permeabilidad y almacenamiento de calor para otros usos. Los pavimentos reflectantes tienen un albedo mayor que los pavimentos convencionales, reduciendo la temperatura superficial y la liberación de calor sensible. Los pavimentos permeables dejan pasar el agua a través de el aprovechando dos efectos, disminuir la temperatura del pavimento y disminuir la temperatura del aire mediante la evaporación 21 21 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana del agua (transferencia por convección). Los pavimentos de almacenamiento de calor aprovechan el calor transferido desde el exterior hacia el interior como energía para otros usos, como energía renovable. Los pavimentos desarrollados actualmente presentan temperaturas superficiales más bajas y ayudan a la mitigación del efecto de isla de calor en las zonas urbanas. Debido al alto potencial de mitigación de los pavimentos fríos, se estudian en detalle los mismos en el marco del trabajo fin de Grado. Existen diferentes tecnologías y métodos para disminuir la temperatura de la superficie de los pavimentos. Como materiales de alta reflectividad a la radiación solar, alta permeabilidad o alta capacidad térmicas, como los materiales de cambio de fase, a continuación, se detallan cada una de las técnicas. Pavimentos reflectantes Los pavimentos reflectantes son aquellos que utilizan materiales de superficie de alta reflectividad y emisividad a la energía solar para disminuir la radiación solar absorbida y aumentar la radiación infrarroja emitida [4]. Las técnicas de pavimento reflectante se aplican principalmente a hormigón y asfalto, también puede usarse para nuevos pavimentos. El uso de los pavimentos reflectantes para mitigar el efecto de la isla de calor urbano es la medida más rentable y fácil de usar, ya que cambiar la propiedad de albedo de un pavimento es relativamente sencillo. Para lograr un pavimento reflectante se puede cambiar tanto el albedo como la rugosidad de este [5] y por la aspereza. La finalidad de estos pavimentos es reflejar la mayor cantidad de radiación solar y no absorberla para disminuir la temperatura superficial, además disminuyen la necesidad de luz artificial durante la noche. Un inconveniente que tienen los pavimentos reflectantes es el aumento del deslumbramiento [6]. El albedo se puede aumentar agregando un revestimiento superficial de color claro y con agregados de color claro. A veces, no se pueden utilizar materiales de colores claros, se deben buscar otras técnicas como las pinturas o agregados de alta reflectancia infrarroja y pinturas o materiales termocrómicos. Uno de los parámetros más investigados e importantes es el aumento del albedo o reflectancia solar. Este parámetro es el porcentaje de radiación solar que refleja una superficie respecto de la radiación solar total que incide en ella. Un albedo alto enfría el planeta, porque la radiación absorbida y aprovechada para calentarlo es mínima. Un albedo bajo calienta el planeta, porque la mayor parte de la luz es absorbida por el mismo. Los revestimientos de los pavimentos actuales se realizan utilizando agregados y aglutinantes adecuados que se pueden mezclar o no. Si ambos componentes no se mezclan, el aglutinante se rocía sobre el pavimento existente y posteriormente se colocan los agregados en la parte superior y se presionan. Por otro lado, si ambos componentes se mezclan y luego se aplican sobre el pavimento. De esta forma se implementan las técnicas para aumentar la reflectancia en los pavimentos. Un aspecto de interés que informa sobre la importancia y utilidad de estas técnicas es la cantidad de radiación solar que llega a la tierra. La radiación solar que llega a la tierra es nuevamente reemitida al espacio o, de diferentes formas. La mayor parte es reemitida al espacio en forma de radiación infrarroja, esta corresponde a la cantidad de calor que absorbe la superficie y luego la transfiere al exterior (incremento del fenómeno de la isla de calor urbano y disconfort térmico), otra parte son reflejadas por las nubes y una parte es reflejada por el suelo en forma de radiaciones cortas. Esta última es la que se quiere aumentar con respecto a la primera parte mencionada para disminuir la temperatura de la superficie y por consiguiente la temperatura del aire urbano. La diferencia entre los revestimientos compuestos por pinturas o materiales claros y los compuestos por pinturas o materiales de alta reflectancia infrarroja es que los últimos se han desarrollado para aumentar la reflectancia infrarroja y disminuir la reflectancia de la luz visible en comparación con los revestimientos de colores claros. La tercera técnica mencionada para aumentar la reflectancia, el uso de los materiales termocrómicos, cambia de color con la temperatura, normalmente pasan del color del producto al color transparente. Se ha demostrado que el cambio en el albedo, de menor valor a mayor valor, aumenta considerablemente con el aumento de la temperatura [7]. El uso de materiales termocrómicos es una posible solución para evitar descensos de temperaturas, mayores de lo normal, en la época de frío. INTRODUCCIÓN 22 Pavimentos permeables Los pavimentos permeables son pavimentos que contienen huecos, poros o rellenos que retienen el agua para obtener una evaporación de esta y disminuir su temperatura. La tasa de evaporación depende en gran medida de la cantidad de agua, la temperatura del pavimento y la humedad atmosférica. Los pavimentos permeables, porosos, o que retienen agua presentan una alta permeabilidad y disminuye su temperatura superficial a través de la evaporación. Este tipo de pavimento presenta un albedo más bajo que las superficies impermeables [8]. Los pavimentos permeables mantienen una temperatura superficial que los pavimentos secos (impermeables) debido a que dividen al calor transferido por conducción, ya que una parte de ese calor es transferido al agua para el proceso de evaporación. Un aspecto importante de estos pavimentos es la disponibilidad del agua. Tanto la localización del pavimento y el clima del lugar donde se ha implantado son aspectos a tener en cuenta para instaurarlo. Si estos pavimentos se implantan en zonas donde no hay ninguna fuente de agua cercana, es una gran desventaja. Son pavimentos que se implantan en parques o exteriores de zonas de ocio. En cuanto al clima, para climas cálidos y lluviosos el agua de la lluvia es utilizada para obtener un efecto frio, pero para climas cálidos y menos lluviosos se necesitan fuentes de agua. Una de las técnicas más usadas y que se va a estudiar en este documento, es rociar el pavimento con agua (riego). Los pavimentos permeables pueden ser vegetales o no, y algunas de las técnicas más comunes son el hormigón poroso y permeable, pavimentos de asfalto poroso o de goma, hormigón y rejilla de plástico rellenas de gravas y adoquines de concreto entrelazados permeables [9]. Algunas de las técnicas de incorporar vegetales más habituales implican adoquines de cuadrícula de hormigón, el uso de celosías de diferentes tipos que permiten que crezca pasto en los intersticios, adoquines o césped reforzado. A continuación, se va a definir la clasificación que componen a los pavimentos permeables y sus características. TIPOS DE PAVIMENTOS PERMEABLES CLASIFICACIÓN PAVIMENTOS PERMEABLES DISCONTINUOS 1. Césped o grava con refuerzos de hormigón o plástico. 2. Adoquines con ranuras abiertas o rellenas de grava o césped. PAVIMENTOS PERMEABLES CONTINUOS 1. Mezcla bituminosa porosa. 2. Hormigón poroso. Tabla 1-1. Clasificación de los pavimentos permeables. - Pavimentos permeables discontinuos. Los pavimentos discontinuos son aquellos compuestos de materiales impermeables que, a través de espacios, ranuras o huecos, dejan infiltrar el agua. Los huecos pueden estar rellenos de material drenante, grava o césped. 1. Césped o grava con refuerzos de hormigón o plástico. Son pavimentos compuestos por un material impermeables (celdas de hormigón o de plástico) con huecos rellenos de césped o grava. El material drenante absorbe el agua para disminuir la temperatura de la superficie. Figura 1-1. Pavimento permeable discontinuo con celdas de hormigón rellenas de césped. 23 23 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 1-2. Pavimento permeable discontinuos con celdas de plástico. 2. Adoquines con ranuras. Bloques de homigón (adoquines) con ranuras o huecos abiertos para la infiltración de agua de forma directa. Estos pavimentos retienen el agua en su interior para usar esa agua para cualquier uso, como usar esa agua residual para rociar otros pavimentos como se ha mencionado anteriormente. - Pavimentos permeables continuos. Los pavimentos continuos están compuestos por mezclas de materiales para obtener una porosidad homogénea por todo el pavimento. Su estructura permite la infiltración del agua de forma directa. Se diferencia en la porosidad del asfalto y del hormigón. 1. Mezcla bituminosa porosa. Las mezclas bituminosas porosas mantienen un buen drenaje superficial. Dependiendo del tipo de betún utilizado para la fabricación del pavimento, se consiguen dos tipos de mezclas. Este tipo de mezcla hace referencia a un pavimento asfáltico convencional. Mezcla convencional que está fabricado por un betún convencional (B 60/70) y modificada que está compuesta por un betún modificado con polímeros (BM-3b). Figura 1-3. Pavimento asfáltico poroso. 2. Hormigón poroso. Al igual que las mezclas bituminosas porosas, mantienen un buen drenaje superficial, además el hormigón poroso tiene como mínimo un 15% de huecos, pero no puede tener más de un 25% debido a que el pavimento pierde estabilidad [referencia]. Actualmente, hay dos tipos de pavimentos de hormigón porosos. Fabricado con cemento hidráulico como conglomerante de los áridos (hidráulico) y fabricado con aglomerantes sintéticos a base de resina (sintético). INTRODUCCIÓN 24 Figura 1-4. Pavimento de hormigón poroso. Pavimentos de almacenamiento de calor La función de los pavimentos de almacenamiento de calor consiste en absorber el calor procedente de la radiación solar y conducirlo desde el exterior al interior mediante conducción para transferirlo a un elemento con menor temperatura. Permite tener una fuente de calor ``gratuita´´. En este documento se abarcan tres formas existentes para almacenar la energía: - Pavimento de alta conductividad. En un pavimento convencional se puede aumentar la conductividad añadiendo a la composición de este, Grafito. El Grafito aumenta la conductividad del pavimento y hace que se almacene calor en el interior del pavimento disminuyendo la temperatura superficial del pavimento y del aire urbano, pero tiene la desventaja del calor acumulado se transfiere, si no se transmite a otro material como una corriente de agua, al exterior horas después. - Pavimentos impregnados con material de cambio de fase (PCM). Los materiales de cambio de fase están considerados una de las formas de almacenamiento térmico más eficientes. El interés de este tipo de material se basa en el cambio de fase que se produce a temperatura constante, por lo cual está almacenando calor, pero a temperatura constante. La función es almacenar calor en forma de calor latente. El cambio de fase que se produce puede ser: Figura 1-5. Cambios de fase de los PCM. De los cambios de fase definidos anteriormente, el que se realiza es de sólido a líquido, ya que dicho proceso necesita una temperatura menor y presenta cambio de volumen menores. Los materiales de cambio de fase tienen una alta densidad energética, tienen la capacidad de almacenar 5-14 veces más calor por unidad de volumen que otros materiales por ejemplo agua o roca. El rango de temperatura del proceso es de 20ºC-80ºC. Estos materiales se utilizan con el fin de transmitir el calor absorbido a otro material (para calentar una corriente de agua), ya que ese calor absorbido al tiempo es liberado al exterior (cuando el material se enfría). A continuación, se van a definir los materiales de cambio de fase que se utilizan actualmente y sus propiedades más características. 25 25 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Los materiales de cambio de fase se clasifican en orgánicos, inorgánicos y mezclas eutécticas. Figura 1-6. Clasificación de los materiales de cambio de fase (PCM). Por otro lado, se va a describir los diferentes métodos de introducir este tipo de material en los pavimentos, hay tres modos: 1. Incorporación directa: Incorporación del material de cambio de fase de forma directa en la fabricación del hormigón. 2. Encapsulado: En lugar de incorporarlo de forma directa, se encapsula para evitar el contacto directo de los materiales constructivos con los materiales de cambio de fase. Hay dos formas de encapsular, macroencapsulados y microencapsulados cuya diferencia es el tamaño de la cápsula. 3. Inmersión: Este método se utiliza en pavimentos porosos. El material de cambio de fase funddo en caliente rellena los poros del pavimento y los rellena por capilaridad. - Pavimento fotovoltaico. Este tipo de pavimento está constituido por placas fotovoltaicas. Su función es similar a la de las placas solares habituales, almacenar calor. Los paneles solares se diseñan cada vez más pensando su integración arquitectónica. El pavimento solar son una solución perfecta, ya que constituyen una gama de vidrios tecnológicos activos que tienen la propiedad de generar energía eléctrica y pueden ser utilizados tanto en calles como en carreteras de nueva construcción como en reformas. La integración arquitectónica del pavimento fotovoltaico hace posible la creación de superficies acristaladas que, además de ser una novedad estética y funcional, generan energía eléctrica, permitiendo la autonomía eléctrica con los consiguientes ahorros energéticos. La estructura de este tipo de pavimentos está compuesta por varias capas, siendo de interior a exterior: conectores, caja de conexiones, células de silicio monocristalino, PVB (Polivinil Butiral) y vidrio templado y ultratransparente. La figura 1-7 muestra la estructura de dicha tipología de pavimentos. METODOLOGÍA 32 2.2.4. Tabla de rangos En la sección presente se procede a definer el catálogo genérico que contempla un conjunto suficientemente amplio de soluciones desarrolladas o estudiadas por investigadores. Dicho catálogo se basa en definer casos generales definidos por la geometría y propiedades de la capa base. Tal y como se ha comentado anteriormente, en dichos estudios se realiza la hipótesis de que el resto de capas del pavimento permanencen idénticas a la solución convencional. Los parámetros definidos para cada caso a estudio serán los descritos anteriormente en el Punto 2.2.2. La Figura 2-7 muestra el catálogo genérico de soluciones a estudio. Respecto a los homogénos no drenantes se analiza la variación de la temperatura superficial respecto al caso base de los casos denominados de media y baja conductividad. Dichos casos presentan una disminución de la densidad y la conductividad térmica tipo del material de la capa base. Los casos de homogénos no drenantes denominados de baja a alta absortividad presentan las mismas propiedades térmicas del caso base, siendo la diferencia de éstos únicamente la absortividad del mismo. Estos casos pueden ser asocidados a tratamientos superficiales del pavimento. Por otro lado, los pavimentos homogénos drenantes se clasifican en casos que varian de un bajo porcentaje de huecos a un alto porcentaje de huecos, asimismo, dentro de cada categoría se distinguen diferentes niveles de diámetros de las partículas, tomadas de la granulometría del hormigón. Ambas propiedades determinarán diferentes niveles de permeabilidad y del coeficiente de resistencia inercial descrito en el Punto 2.2.2. Por último, en el caso de los pavimentos heterogéneos se analiza la variación de la distribución de la capa superficial, así como el impacto de aumentar el tramo horario del riego. Figura 2-6.Curva granulométrica del hormigón 33 Figura 2-7. Tipología de pavimentos analizados 35 Definición de las condiciones climáticas de diseño La evaluación de la evolución de la temperature superficial de los casos descritos y el impacto de la misma será determindo en unas condiciones de diseño tipo. Dichas condiciones de diseño han sido determinadas en el marco del Proyecto CartujaQanat y son valores representativos y del lado de la seguridad asociado a las condiciones climáticas de la localidad de Sevilla. A continuación, se enumeran las variables meteorológicas utilizadas y la terminología asociada a cada una de ellas: • T-EXT: Temperatura exterior seca (ºC). • T-CIELO: Temperatura del cielo (ºC). • R-DIR-SH: Radiación solar directa sobre una superficie horizontal (W/m2). • R-DIF-SH: Radiación solar difusa sobre una superficie horizontal (W/m2). • HUM-ABS: Humedad absoluta (Kg agua/Kg aire). • HUM-REL: Humedad relativa (%). En la Tabla 2-4 se incluyen los valores de las variables anteriores en el día de diseño. Debido a la inercia térmica que presentan los pavimentos, las comparaciones se establecen siempre considerando el día completo. Los valores de temperatura superficial se calculan suponiendo que las condiciones exteriores mencionadas se repiten durante un número suficiente de días. Se va a mostrar una tabla donde aparecen las variables meteorológicas para cada hora del día de diseño: Hora T-EXT (ºC) T-CIELO (ºC) R-DIR-SH (W/m2) R-DIF-SH (W/m2) HUM-ABS (Kg agua/Kg aire) HUM-REL (%) 1 25.43 16.18 0.00 0.00 0.01 56.62 2 24.73 16.00 0.00 0.00 0.01 58.99 3 23.06 14.47 0.00 0.00 0.01 64.63 4 21.94 12.40 0.00 0.00 0.01 59.75 5 21.46 12.55 0.00 0.00 0.01 60.28 6 21.31 12.65 0.00 0.00 0.01 61.64 7 20.93 12.62 131.03 22.79 0.01 62.88 8 21.78 12.98 1145.30 0.00 0.01 59.66 9 24.14 13.87 2349.48 3.74 0.01 53.33 10 27.04 14.73 3470.07 2.44 0.01 44.64 11 29.66 15.59 4292.13 9.51 0.01 38.95 12 32.91 14.82 4744.16 42.66 0.01 27.35 13 34.52 14.24 5024.98 0.00 0.01 22.82 14 36.16 13.92 4786.58 0.00 0.01 19.34 15 36.77 12.83 4301.63 0.00 0.01 16.74 16 36.90 11.67 3512.49 0.00 0.01 15.55 17 36.98 10.52 2528.95 0.00 0.03 13.28 18 36.33 9.99 1206.10 0.00 0.01 14.18 19 34.58 11.82 63.03 9.29 0.01 17.69 20 31.96 14.35 0.00 0.00 0.01 28.10 21 30.39 13.41 0.00 0.00 0.01 30.60 22 29.10 13.29 0.00 0.00 0.01 32.73 23 28.38 13.09 0.00 0.00 0.01 34.52 24 27.63 13.69 0.00 0.00 0.01 37.66 Tabla 2-4. Condiciones climáticas-día de diseño. METODOLOGÍA 36 La excitación se ha modelado con una temperatura sol-aire, la cual se define de diferente forma para cada una de las tipologías de pavimentos estudiadas. La temperatura sol-aire tiene en cuenta el impacto combinado de la temperatura ambiente y la influencia de la radiación solar (absorbida). Para los pavimentos homogéneos no drenantes: 𝑇𝑒𝑞 =ℎ𝑐𝑒·𝑇𝑎𝑒+ℎ𝑟𝑒·𝑇𝑟𝑒 ℎ𝑐𝑒+ℎ𝑟𝑒 (Ec.1) 𝑇𝑆𝐴 = 𝑇𝑒𝑞 +𝛼·𝐼 ℎ𝑐𝑟𝑒 (Ec.2) Donde la 𝑇𝑎𝑒 es la temperatura del aire, ℎ𝑐𝑒 es el coeficiente convectivo, 𝑇𝑟𝑒 es la temperatura del cielo, ℎ𝑟𝑒 es el coeficiente radiante, 𝛼 es la absortividad propia del pavimento, 𝐼 es la radiación global incidente, ℎ𝑐𝑟𝑒 es el coeficiente convectivo-radiante suma de el coeficiente convectivo y el radiante. Para los pavimentos homogéneos drenantes: 𝑇𝑆𝐴 =𝑇𝑏ℎ∙ℎ𝑐𝑒+𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜∙ℎ𝑟𝑑 ℎ𝑐𝑒+ℎ𝑟𝑑 +𝛼∙𝐼 ℎ𝑐𝑒+ℎ𝑟𝑑 (Ec.3) Donde 𝑇𝑆𝐴 representa la temperatura equivalente sol-aire, 𝑇𝑏ℎ la temperatura de bulbo húmedo, 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 la temperatura de cielo, ℎ𝑐𝑒 un coeficiente convectivo-evaporativo, ℎ𝑟𝑑 coeficiente efecto radiante, 𝛼 absortividad, 𝐼 radiación incidente. Modelización La superficie de un pavimento expuesta al sol está sometida a los flujos de calor de radiación solar incidente (H), intercambio radiante de larga (ΔR), intercambio por convección con el aire exterior (Cv) e intercambio por conducción hacia el interior del terreno (Cd). Además, dependiendo del tipo de superficie puede originarse un flujo de calor debido a la evaporación de agua en la superficie (E). La temperatura de la superficie es el resultado del equilibrio que se establece entre los diferentes flujos de calor que se muestran en la Figura 2-8. Figura 2-8. Balance de energía en pavimentos. El equilibrio térmico en la superficie de un pavimento frío se expresa mediante el balance de los flujos de calor involucrados: • Absorción de la radiación de corta longitud de onda procedente del sol. 𝑞𝑐𝑟 =∝·𝐻 (Ec.4) Siendo α la absortividad del pavimento en la banda de cortas longitudes de onda (función del color) y H la radiación solar (directa+difusa) incidente sobre la superficie. • Intercambio por convección con el aire ambiente. 𝑞𝑐𝑟 = ℎ𝑐·(𝑇𝑃−𝑇𝑎) (Ec.5) donde hc es el coeficiente de película (W/m2ºC), Tp la temperatura en la superficie del pavimento (K) y Ta la temperatura del aire (K). • Intercambio radiante de larga longitud de onda. 37 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana 𝑞𝑟𝑙 = ∑𝐶𝑗 𝑗−1 𝑛·(𝑇𝑝 4−𝑇𝑗4) (Ec.6) Siendo Tj la temperatura de las superficies vistas desde el pavimento. En general, el pavimento verá básicamente el cielo y la cobertura. Suponiendo que ambas superficies son prácticamente negras, el intercambio radiante puede escribirse: 𝑞𝑟𝑙 = 𝐴·(𝐹𝑝−𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 ·(𝑇𝑝 4−𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 4)+𝐹𝑝−𝑐𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 ·(𝑇𝑝 4−𝑇𝑐𝑜𝑏𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 4)) (Ec.7) Siendo ε la emisividad del pavimento, en el infrarrojo. • Conducción hacia el interior. Depende del espesor y de las propiedades termofísicas del material. La inercia térmica del material, junto a la variación temporal de las excitaciones (principalmente radiación solar y temperatura) hace que la conducción deba ser estudiada en régimen transitorio. En cada instante de tiempo, el flujo por conducción vendrá dado por: 𝑞𝑐= −𝐾𝜕𝑇 𝜕𝑦 (Ec.8) siendo K la conductividad del material y 𝜕𝑇 𝜕𝑦 el gradiente de temperaturas en la superficie. El equilibrio de flujos de calores anterior proporciona la temperatura de equilibrio en la superficie del pavimento, la cual se formula según la siguiente ecuación: ∝·𝐻 = ℎ𝑐·(𝑇𝑝−𝑇𝑎)+∑𝐶𝑗·(𝑇𝑝 4−𝑇𝑗4)+𝑎0·𝑇𝑝+𝑎1·𝑇𝑝·(𝑡 +∆𝑡) 𝑗+1 𝑛 (Ec.9) La resolución del equilibrio de flujos descrito se llevará a cabo mediante la modelización y simulación de los casos comentados en el software Ansys Fluent. La evaluación se llevará a cabo mediante el uso de la geometría tipo descrita anteriormente y la variación de los parámetros característicos expuestos y descritos en el Punto 2.2.3 para cada tipología de pavimento. Evaluación La evaluación de los diferentes casos tiene como objetivo la comparación de la temperatura superficial y la temperatura obtenida en un punto a 10 cm de la superficie entre cada uno de los diferentes casos modificados y el caso base. La evaluación del catálogo general consiste en el análisis de la influencia de la variación de cada uno de los parámetros descritos anteriormente. Para ello, se mostrarán resultados de la temperatura superficial y a la temperatura obtenida a 10 cm de la superficie del caso base y cada una de las diferentes tipologías de estudio. Además, se añadirán tablas con el valor de la temperatura superficial alcanzada en diferentes horas del día, con objetivo de analizar la evolución de la mismo. Por último, con el decremento de temperatura superficial obtenido en cada caso se procederá al cálculo de los dos indicadores objetivo: evaluación del confort y reducción del fenómeno de la isla de calor urbana. A continuación, se describe la obtención de ambos indicadores, así como las hipótesis de cálculo realizadas. Evaluación del confort (decremento de la temperatura de sensación). A efectos de determinar la incidencia que las diferentes soluciones tienen en términos de confort, se utiliza el concepto de temperatura de sensación. Para ello, se han considerado varias situaciones de referencia (sin pavimentos fríos), cada una de las cuales lleva asociada una temperatura de sensación. Al introducir los pavimentos fríos, la mejora sobre el confort se realiza comparando las nuevas temperaturas de sensación con las de los casos de referencia, siendo las correlaciones propuestas para la evaluación del decremento de la temperatura de sensación son fuente propia, correspondiente al grupo de investigación de Termotecnia. Los casos de referencia son: METODOLOGÍA 38 - Para uso en zona adyacente a zona de paso: o Dimensión característica de la zona de paso: 4 m y 8 m. o Pavimento de referencia: Convencional del mismo color que el frío. Utilizando un programa de confort térmico, se han obtenido unas correlaciones que permiten expresar directamente el incremento de temperatura de sensación, (en realidad decremento), en función de la reducción que se produce en la temperatura superficial cuando se pasa de un pavimento convencional a uno frío. Las correlaciones son: o Para dimensión característica igual a 4 m. ∆𝑇𝑠= 0.175∆𝑇𝑝 (Ec.10) o Para dimensión característica igual a 8 m. ∆𝑇𝑠= 0.05∆𝑇𝑝 (Ec.11) Siendo Δ𝑇𝑠 el incremento de temperatura de sensación e Δ𝑇𝑝 el incremento de temperatura del pavimento. - Para el uso en zona de estancia: o Dimensión característica de la zona de estancia (30m). o Pavimento de referencia: Convencional del mismo color que el frío. Al igual que en el caso anterior, se ha desarrollado una correlación para expresar el incremento de temperatura de sensación en función de la reducción de temperatura superficial cuando se pasa de un pavimento convencional a uno frío. La correlación es: ∆𝑇𝑠= 0.22 ∆𝑇𝑝 (Ec.12) En los estudios llevados a cabo se procederá al cálculo del decremento de la temperatura de sensación en las diferentes situaciones de referencia comentadas. Evaluación de la reducción del fenómeno de la isla de calor urbano (UHI). El fenómeno de la isla de calor urbana (UHI) es el causante del aumento de la temperatura del aire en las zonas urbanas respecto a las zonas rurales. Este fenómeno está relacionado con el balance térmico originado por la sustitución de tierra y vegetación por edificios, carreteras y otras infraestructuras lo que provoca el aumento de ganancias de calor y la disminución de las pérdidas térmicas. Uno de los principales causantes de este fenómeno son los materiales de construcción que absorben y almacenan el calor, por ejemplo, los materiales de construcción de los pavimentos. Los pavimentos ocupan entre el 30-40% del entorno urbano y afectan al aumento del fenómeno de la isla de calor urbana. Emiten radiación térmica, transfieren calor por convección desde su superficie al aire y por conducción hacie el interior del suelo. En nuestro proyecto, se va a analizar el impacto en la reducción de la UHI mediante un cálculo aproximado, en el que se expone el porcentaje de decremento de temperatura que ofrecen las técnicas utilizadas para la reducción de este fenómeno. El método de cálculo es el siguiente [10]: 1. El porcentaje que ocupan los materiales constructivos en las ciudades urbanas corresponde al 90%. 2. Dentro del 90%, el 30% se refiere a los pavimentos. 3. Por tanto, multiplicando ambos porcentajes, el método de cálculo aproximado es: ∆𝑇𝑈𝐻𝐼 = 0.27·∆𝑇𝑝 (Ec.13) 39 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana 3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los pavimentos homogéneos son aquellos que tienen una composición similar en la capa superficial. Para todos los casos analizados, se obtienen gráficas donde se comparan las siguientes variables: Temperatura exterior, Radiación global horizontal, Temperatura superficial (caso simulado) y Temperatura a una profundidad de 10 cm (caso simulado). También, se obtienen tablas con el promedio de las temperaturas en diferentes horas, las horas que se han calculado son: 7:00 de la mañana, 14:00 de la tarde, 19:00 de la tarde y 24:00 de la noche. Por último, con el decremento de temperatura superficial obtenido en cada caso se evalúa el impacto del confort y reducción del fenómeno de la isla de calor urbana mediante el uso de ecuaciones simples. La temperatura exterior se ha considerado una cercana al aeropuerto de Sevilla, ubicada en una zona rural, de manera que es posible evaluar el efecto de la isla de calor urbana explicada anteriormente. Dentro de los pavimentos homogéneos, se distingue los drenantes y no drenantes. Al tener un comportamiento diferente, se va a realizar el análisis de los resultados de forma independiente. El último caso que se analiza son los pavimentos heterogéneos también de forma independiente. Cada uno de los casos se modelan a través de ``Fluent´´y se obtiene una simulación de la temperatura superficial y una temperatura en un punto a 10 cm de la superficie. Los pavimentos tienen una geometría específica cada uno y en este proyecto se definen los pavimentos homogéneos tanto no drenantes como drenantes con la misma geometría y los pavimentos heterogéneos con la capa superficial distribuida en dientes de sierra. Antes de explicar cada una de las variantes de pavimentos, se recuerda la geometría de los dos tipos de pavimentos genéricos. Figura 3-1. Geometría de los pavimentos homogéneos. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 40 Figura 3-2. Geometría de los pavimentos heterogéneos. 3.1. Caso base (convencional) La simulación del caso base y demás variantes de pavimentos se realiza mediante unas condiciones de contorno propias de cada uno de ellos. Cada uno tienen unas condiciones exteriores diferentes debido fundamentalmente a la absortividad del pavimento. En el proyecto, se han simulado cada uno de los casos de estudio bajo unas condiciones exteriores definidas por un coeficiente convectivo-radiante, común para todos los pavimentos, y una temperatura sol-aire que varía según la absortividad de cada uno de los casos de estudio. Las simulaciones se realizan para unas condiciones climáticas de un día de diseño, pero repetido siete veces para alcanzar el periódico establecido en los resultados de la simulación. Como se ha mencionado anteriormente, los objetivos del proyecto son dos, en primer lugar, obtener la temperatura superficial del caso base y de un caso con variantes para observar como afecta al incremento del confort térmico y la reducción del fenómeno de la isla de calor urbana y en segundo lugar la temperatura de un punto a 10 cm de la superficie para observar si la variante utilizada afecta a la temperatura media del pavimento. El pavimento correspondiente al ``caso base´´ hace referencia a un pavimento convencional, sin ninguna técnica de enfriamiento y muy común en la actualidad. Se va a representar su temperatura superficial y su temperatura en un punto a 10 cm de la superficie. 41 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 3-3. Representación de la temperatura superficial y a 10 cm del caso base. Este formato de gráfica se va a usar para representar todos los resultados. La gráfica se compone de una representación de la temperatura superficial y a 10 cm (eje horizontal), la temperatura del aire correspondiente a una zona rural donde el fenómeno de la isla de calor no está presente/no afecta (eje vertical izquierdo) y la radiación global horizontal que está compuesta de la suma de la radiación directa, difusa y reflejada (eje vertical derecho). Otro aspecto importante que se observan en ambas gráficas es la diferencia de temperatura que aparece entre la zona urbana (temperaturas superficiales) y la zona rural (temperatura del aire). Esto es debido a la estructura de una ciudad, personas, grandes edificios, circulación de vehículos, fábricas, etc. A continuación, se procede a la descripción de los resultados obtenidos según la clasificación que se hizo en el Punto 2.2.1. En primer lugar, se describen los pavimentos homogéneos no drenantes, posteriormente los pavimentos homogéneos drenantes y por último los pavimentos heterogéneos. Compararnos con estudios de pavimentos convencionales (tsuperficial alcanzada horas mas criticas) 3.2. Pavimentos homogéneos no drenantes Los casos que se incluyen en este apartado son aquellos en los que se busca que el pavimento absorba la menos cantidad de radiación solar, por lo cual se evita la absorción de calor que calienta al pavimento directamente y en horas próximas es emitido al aire por inercia térmica. También se modifican parámetros como la conductividad térmica y la densidad para observar el efecto que tiene en el pavimento. Las distintas técnicas que se incluyen en esta sección son: 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso base 10cm sup Radiación global horizontal RESULTADOS Y DISCUSIÓN 48 Se observa que los resultados del impacto del confort térmico tienen similitud con el impacto en la mitigación de la isla de calor urbana, debido a que la evaluación del confort térmico depende del resultadode la disminución de la temperatura superficial, al igual que la mitigación de la UHI. Las zonas de paso tienen diferentes geometrías y, por tanto, tienen diferente impacto en la temperatura de sensación. En una zona de paso de 4 m la temperatura de sensación va a tener más influencia en las personas que una zona de paso de 8 m. Se observa en la Tabla 3-5, que se produce un incremento de la temperatura de sensación para horas donde la radiación global incidente es alta (14:00) y un decremento para horas donde la radiación es nula (19:00). La zona de estancia corresponde a zonas donde el tiempo que se pasa en dicha zona es mayor, es decir, la cantidad de gente es mayor y el impacto del decremento de la temperatura de sensación es importante. Como se observa, la temperatura de sensación sufre un incremento en horas donde la radiación incidente es alta (14:00) y un decremento cuando la radiación es nula (19:00). Concluyendo, la disminución de la conductividad térmica y densidad del pavimento no es una técnica totalmente viable debido a que aumenta la temperatura de sensación en horas críticas de actividad urbana. Variación de la reflectancia solar (albedo) La finalidad de este apartado es variar la reflectancia solar o albedo del pavimento del caso base para obtener los objetivos, la reducción del confort térmico y la mejora en el confort térmico. Aumentar el albedo de los pavimentos ayuda a disminuir la temperatura de su superficie y a reducir la cantidad de calor sensible liberado a la atmósfera. Paralelamente, disminuye la necesidad de iluminación nocturna y aumenta la durabilidad de los pavimentos. La modificación de la reflectancia solar o albedo lleva consigo la modificación de la absortividad, ya que se recuerda la forma de calcular la absortividad: Absortividad=1-Reflectancia solar. La modificación de este parámetro hace referencia a la cantidad de radiación solar que refleja el pavimento y por tanto no lo absorbe. Cómo en el caso anterior, se realizan dos variaciones de la reflectancia solar en un valor bajo y otro medio respecto del valor del caso base. A continuación, se muestran los valores para cada uno de los casos. Caso Reflectancia solar Absortividad Base 0.15 0.85 Baja absortividad 0.8 0.2 Media absortividad 0.5 0.5 Tabla 3-6. Variación de la reflctancia solar respecto al caso base. Como se observa en la Tabla 3-6 y se ha mencionado anteriormente, se van a analizar un parámetro de absortividad alto, medio y bajo para evaluar su impacto en el pavimento y por tanto en los objetivos. Los demás parámetros térmicos se mantienen constante. Se procede a la comparación de casos y se realiza primero el caso base con el caso de baja absortividad y posteriormente el caso base con el caso de media absortividad. Se evalúan y analizan los resultados de la comparación. 1. Temperatura superficial. El aumento de la reflectancia solar o albedo de un pavimento es un elemento fundamental en la disminución de la temperatura superficial de este. La cantidad solar reflejada por el pavimento no es absorbida por este y no hace que se caliente y transfiera esa energía en forma de calor al aire mediante convección. A continuación, se muestra la variación de la temperatura superficial de ambos casos con el caso base. 49 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 3-8. Comparación de la temperatura superficial del caso base y del caso de baja absortividad. Figura 3-9. Comparación de la temperatura superficial del caso base y del caso media absortividad. Como se observan en ambas gráficas (Figura 3-8 y Figura 3-9) la temperatura superficial disminuye con la disminución de la absortividad del pavimento. La diferencia de temperaturas es más grande conforme aumenta la radiación global, ya que el pavimento con mayor absortividad está absorbiendo dicha radiación y aumentando su temperatura al contrario que el pavimento con menor absortividad que la refleja y por tanto no la absorbe. Además, se analizan las temperaturas promedio de diferentes horas para explicar de forma más clara el efecto beneficioso que tiene la reducción de la absortividad en un pavimento. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso baja absortividad Radiación global horizontal 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso media absortividad Radiación global horizontal RESULTADOS Y DISCUSIÓN 50 Caso base Caso baja absortividad Caso alta absortividad Tsuperficial Tsuperficial Tsuperficial 0:00 30.92 24.51 27.47 7:00 28.05 21.87 24.72 14:00 58.42 33.58 45.05 19:00 37.20 28.80 32.68 Tabla 3-7. Temperaturas promedio de los tres casos. Se muestra que para una disminución de la absortividad tanto el promedio de temperatura máximo que se produce cuando hay radiación global sobre el pavimento (14:00) es menor y el promedio de temperatura mínimo que se produce cuando no hay radiación global (0:00) también es menor. A las 0:00, el valor de temperatura promedio varía con la variación de la absortividad de la siguiente forma: Para α=0.85 (caso base) la temperatura promedio es de 30.92ºC, para α=0.5 (media absortividad) la temperatura promedio es de 27.47ºC y para α=0.2 (baja absortividad) la temperatura promedio es de 24.51ºC. A las 14:00, el valor de temperatura promedio varía con la variación de la absortividad de la siguiente forma: Para α=0.85 (caso base) la temperatura promedio es de 58.42ºC, para α=0.5 (media absortividad) la temperatura promedio es de 45.05ºC y para α=0.2 (baja absortividad) la temperatura promedio es de 33.58ºC. Concluyendo, tanto la temperatura promedio máxima como la mínima es menor mientras menor es la absortividad del pavimento. 2. Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie. La temperatura media de un pavimento es un parámetro que suele ser constante. El aumento de temperatura del interior del pavimento afecta a los materiales constructivos del pavimento y por tanto a su estructura. Se va a analizar el impacto que tiene la modificación de la absortividad en este aspecto. Figura 3-10. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y del caso de baja absortividad. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base 10 cm sup Tsup_caso baja absortividad 10cm sup Radiación global horizontal 51 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 3-11. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superfice del caso base y del caso de baja absortividad. Se observa en ambas gráficas (Figura 3-10 y Figura 3-11) la disminución de la temperatura del pavimento a lo largo del día, siendo esto muy beneficioso para las propiedades de los materiales que componen el pavimento y por tanto para su estructura. Además, la disminución de la temperatura media del pavimento es un indicador de que va a disminuir la cantidad de calor que se acumula en el interior y que posteriormente es transferida al exterior por inercia térmica del pavimento. 3. Impacto en el fenómeno de la isla de calor urbana (UHI). Son muchas las técnicas utilizadas para la reducción de la isla de calor urbana, pero una de las que mejores resultados ha obtenido es el aumento de la reflectancia solar o albedo, es decir, la reducción de la absortividad del pavimento. Además de una técnica que obtiene resultados favorables en cuanto a la mitigación de este fenómeno, no tiene un coste de operación y mantenimiento elevados por lo que es una técnica viable. El aumento del albedo tiene un impacto muy significativo y positivo en la reducción del efecto de la isla de calor urbana, que no es más que el decremento de temperatura superficial entre dos tipos de pavimentos evaluados. Se muestran el decremento de temperatura superficial del caso base con el caso de baja absortividad térmica y con el caso de media absortividad. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base 10 cm sup Tsup_caso media absortividad 10cm sup Radiación global horizontal RESULTADOS Y DISCUSIÓN 52 MITIGACIÓN UHI Caso baja absortividad Caso media absortividad 0:00 1.73 0.93 7:00 1.67 0.90 14:00 6.71 3.61 19:00 2.27 1.22 Tabla 3-8. Reducción de la UHI respecto del caso base. Se analiza el impacto y se observa que la reducción de la isla de calor urbana, decremento de temperatura, es mayor conforme la radiación global es mayor y se produce en el tramo horario donde la actividad de las zonas urbanas es mayor (más cantidad de personas). No se va a diferenciar entre horas, ya que se aprecia que el decremento de temperatura es positvo en todos los horarios. El decremento es mayor conforme disminuye la absortividad del pavimento que es igual al aumento de la reflectancia. A través de la aplicación de esta técnica de enfriamiento se consigue uno de los dos objetivos principales, la mitigación del efecto de la isla de calor urbana. 4. Impacto en confort térmico. El confort térmico tiene relación con la reducción de la isla de calor urbano, ya que van a seguir la misma línea ascendente. Aunque nosotros evaluemos el efecto de la temperatura en el confort térmico, hay muchos más aspectos que influyen en dicha evaluación. A continuación, se muestra como varía el confort térmico con la variación de la absortividad del pavimento. Decremento de temperatura de sensación (ºC) ZONA DE PASO ZONA DE ESTANCIA Dimensión Característica 4 m Dimensión característica 8 m Dimensión característica 30 m Media Absortividad Baja Absortividad Media Absortividad Baja Absortividad Media Absortividad Baja Absortividad 0:00 0.6 1.12 0.17 0.32 0.76 1.41 7:00 0.58 1.08 0.17 0.31 0.73 1.36 14:00 2.34 4.35 0.67 1.24 2.94 5.46 19:00 0.79 1.47 0.23 0.42 0.99 1.85 Tabla 3-9. Reducción de la temperatura de sensación respecto del caso base. Se observa en la Tabla 3-9, la importancia que tiene la disminución de la absortividad de un pavimento (o aumento de la reflectancia solar) en el decremento de temperatura de sensación en horas donde hay radiación 53 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana (14:00) y en horas que es nula (19:00). Conforme disminuye la absortividiad, pasa de una absortividad alta (caso base) a una absortividad baja, el decremento de la temperatura de sensación es más significativo. Afecta a todas las zonas descritas de igual manera, conforme disminuye la absortividad, disminuye la temperatura de sensación. La técnica de disminuir la absortividad del pavimento es una opción totalmente viable. 3.3 Pavimentos homogéneos porosos drenantes Otra alternativa de pavimento frío son los denominados pavimentos homogéneos porosos drenantes. Estos pavimentos tienen la característica de filtrar el agua a través de ellos y utilizar el efecto evaporativo que se produce para disminuir la temperatura superficial y la temperatura del aire urbano. Estos pavimentos están definidos por las mismas propiedades que los homogénos no drenantes pero se incluyen propiedades diferentes como la porosidad, diámetro de partícula y fracción de huecos. Además, hay que tener en cuenta el tipo de riego que se va a realizar sobre la superficie del pavimento. Este tipo de riego puede ser sin riego, riego parcial y riego continuo. Los pavimentos porosos tienen dos propiedades principales que son las que definen como tal el medio poroso, la permeabilidad y el coeficiente de resistencia inercial, así como el porcentaje de porosidad. El parámetro de permeabilidad y sobre todo el coeficiente de resistencia inercial son difíciles de cuantificar para materiales existentes, solo pueden existir ciertos valores en la literatura, pero tampoco es muy común. Por ello, es necesario recurrir a la relación que muestra la ayuda de ANSYS sobre dichos parámetros y los diámetros característicos de las partículas, detallados en las ecuaciones siguientes. 𝛼 = 𝐷𝑝2∙𝐹ℎ3 150∙(1−𝐹ℎ)2 (Ec.14) 𝐶2=3.5∙(1−𝐹ℎ) 𝐷𝑝∙𝐹ℎ3 (Ec.15) Donde 𝐷𝑝 es el diámetro de la partícula media del material y 𝐹ℎ es la fracción de huecos de la zona porosa. Al tratarse de un pavimento drenante toma relevancia el tratamiento del agua que se hace importante en la superficie, por este motivo se diferencia entre tres riegos. Existen dos escenarios de riego. Cuando el riego del pavimento es continuo el efecto que se produce es una lámina de agua constante sobre la superficie, siendo la temperature de esta la temperatura de bulbo húmedo. Si el riego es parcial, el agua se evapora y se genera un microclima que afecta a la temperatura de la superficie y del aire urbano. La temperatura superficial está compuesta de la temperatura sol-aire como en los casos de pavimentos no drenantes pero hay que añadirle el efecto evaporativo, como muestra la siguiente ecuación. 𝑇𝑆𝐴 =𝑇𝑏ℎ∙ℎ𝑐𝑒+𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜∙ℎ𝑟𝑑 ℎ𝑐𝑒+ℎ𝑟𝑑 +𝛼∙𝐼 ℎ𝑐𝑒+ℎ𝑟𝑑 (Ec.16) Donde 𝑇𝑆𝐴 representa la temperatura equivalente sol-aire, 𝑇𝑏ℎ la temperatura de bulbo húmedo, 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 la temperatura de cielo, ℎ𝑐𝑒 un coeficiente convectivo-evaporativo, ℎ𝑟𝑑 coeficiente efecto radiante, 𝛼 absortividad, 𝐼 radiación incidente. El fenómeno de evaporación es tratado como un fenómeno de convección con la superficie y el aire, con una temperatura equivalente que representa la temperatura de bulbo húmedo en las condiciones en las que se encuentra el aire y un coeficiente convectivo-evaporativo. Además del riego, la influencia de este tipo de pavimento sobre la temperature superficial también depende de otros parámetros como la permeabilidad, diámetro de partículas y fracción de huecos. Se van a modificar el diámetro de las partículas y la fracción de huecos obteniendo diferentes valores de permeabilidad para cada uno de los tipos. A continuación, se muestra en la Tabla 3-6 todas las variantes que se han analizado. 54 Caso Espesor (m) Calor específico (Kj/KgK) Conductividad térmica (W/mK) Densidad (Kg/m3) Reflectancia Absortividad Emisividad Diámetro partícula (m) Permeabilidad (1/m2) %huecos Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 1.32353E-11 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos – Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 1.32353E-11 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos – Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 1.32353E-11 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 1.32353E-09 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos – Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 1.32353E-09 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos - Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 1.32353E-09 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 5.29412E-09 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos – Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 5.29412E-09 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos - Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 5.29412E-09 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 2.11765E-08 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos – Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 2.11765E-08 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Bajo % huecos - Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 2.11765E-08 15 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 3.33333E-11 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos -Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 3.33333E-11 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 3.33333E-11 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 3.33333E-09 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos -Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 3.33333E-09 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 3.33333E-09 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 1.33333E-08 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos -Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 1.33333E-08 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 1.33333E-08 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 5.33333E-08 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos -Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 5.33333E-08 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Medio % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 5.33333E-08 20 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 6.94444E-11 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 6.94444E-11 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.001 6.94444E-11 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 6.94444E-09 25 55 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 6.94444E-09 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.01 6.94444E-09 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 2.77778E-08 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 2.77778E-08 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.02 2.77778E-08 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Sin Riego 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 1.11111E-07 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Parcial 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 1.11111E-07 25 Geometría 1 Homogéneos Drenantes Alto % huecos –Riego Continuo 6 0.89 1.25 2425 0.15 0.85 0.84 0.04 1.11111E-07 25 Tabla 3-10. Alternativas pavimentos homogéneos drenantes. 56 Los tres parámetros que se han modificado y se van a evaluar su impacto en la temperatura superficial, la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie, la reducción del fenómeno de la isla de calor urbana y el aumento en el confort térmico son el tipo de riego, el diámetro de la partícula y la fracción de huecos. Como se muestra en la Tabla 3-10, se han realizado muchas variaciones pero para su simplificación se han elegido para su análisis: un primer caso con una fracción de huecos y un diámetro de partículas medio variando el tipo de riego (sin riego, riego parcial, riego continuo), un segundo caso con un riego parcial y un diámetro de partícula medio variando su fracción de huecos (bajo,medio,alto) y un tercer caso con un riego parcial y una fracción de huecos variando el diámetro de la partícula (bajo,medio,alto). Al igual que en el ánalisis de los pavimentos homogéneos no drenantes, todos los casos mencionados anteriormente se van a comparar con el caso base. Variación del tipo de riego con una fracción de huecos y diámetro de partículas medio Como se ha mencionado anteriormente, se analiza el impacto del tipo de riego en un pavimento con una fracción de huecos y un diámetro de partículas medio con el caso base que va a ser un caso donde no existe el riego. Los parámetros que se analizan son la temperatura superficial, temperatura en un punto a 10 cm de la superficie, la reducción del fenómeno de la isla de calor urbana y el aumento del confort térmico. A continuación, se informa del caso analizado tomado de la Tabla 3-10. Caso Riego Fracción de huecos (%) Diámetro partículas Base Sin riego Sin fracción de huecos Sin diámetro partículas Caso 1 Sin riego 20 0.01 Caso 2 Riego parcial 20 0.01 Caso 3 Riego continuo 20 0.01 Tabla 3-11. Evaluación de casos variando el tipo de riego. La comparación se va a realizar en el siguiente orden: primero el pavimento poroso sin riego con el pavimento del caso base, después el pavimento poroso con riego parcial con el pavimento del caso base y por ultimo el pavimento poroso con riego continuo con el pavimento del caso base. 1. Temperatura superficial. Como se observa en la Tabla 3-11, hay tres casos descritos donde se varía el riego y se comparan los tres casos con el caso base que corresponde a un pavimento convencional, un pavimento sin riego, sin huecos y sin diámetro de partículas. 57 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 3-12. Comparación de la temperatura superficial del caso base con el caso 1 sin riego. Se observa que un pavimento poroso sin riego se comporta de forma similar que los pavimentos de baja conductividad y densidad. La temperatura superficial en horas donde la radiación global es nula, es menor en pavimentos porosos sin riego que en pavimentos no porosos sin riego, al contrario que en horas donde la radiación global es incidente en las superficies. Es decir, los pavimentos porosos sin riego tienen temperatura promedio máxima mayor y temperature promedio mínima menores que el pavimento del caso base (no poroso). Figura 3-13. Comparación de la temperatura superficial del caso base con el caso 2 con riego parcial. Se observa como afecta el fenómeno de evaporación del agua procedente del riego. Las horas donde más relevantes son las que corresponden a la mayor incidencia de radiación global, en las cuales la temperatura superficial de los pavimentos porosos con riego parcial es menor que la temperatura superficial del caso base. En las horas donde la incidencia de radiación es nula, la temperatura superficial del pavimento poroso con riego continuo es menor que la temperatura superficial del caso base. Esto es debido a que la temperatura del agua es 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 80 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso 1 sin riego Radiación global horizontal 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 80 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso 2 riego parcial Radiación global horizontal RESULTADOS Y DISCUSIÓN 64 A las 14:00, se obtienen las temperaturas promedio máximas y se observa como los valores frentes al caso base, 58.42ºC, van aumentando conforme aumenta el porcentaje de huecos y por tanto disminuyen la conductividad térmica y la densidad. Para el caso 1 de porcentaje de huecos bajo, la temperatura superficial es de 52.31ºC, para el caso 2 de porcentaje de huecos medio es de 52.38ºC y para el caso 3 de porcentaje de huecos alto es 52.75ºC. A las 19:00, se obtienen las temperaturas promedio mínimas, pasa el efecto contrario, la temperature superficial disminuye conforme la fracción de huecos aumenta. 2. Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie. Se analiza el impacto de la variación de huecos en el interior del pavimento. Como en los apartados anteriores, se quiere conseguir que la temperatura interior del pavimento sea menor que en el caso base, ya que es beneficioso para la estructura y materiales de este. Además, se consigue disminuir la inercia térmica propia del pavimento, otro aspecto beneficioso para obtener los objetivos del proyecto. Al igual que en el apartado anterior, se van a representar las tres alternativas (porcentaje de huecos bajo, medio, alto) frente al caso base en la misma gráfica debido a que el cambio en la temperatura interior es practicamente nulo entre los tres casos. Frente al caso base, si hay una diferencia de temperatura importante. Figura 3-19. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de los casos con variación de la fracción de huecos. Como se observa en la Figura 3-19, la diferencia de temperatura interior del pavimento al variar la fracción de huecos es casi nula, por tanto, para modificar la temperatura en el interior del pavimento no es un factor importante la variación de la fracción de huecos. 3. Impacto en el fenómeno de la isla de calor urbana (UHI). Se va a evaluar el impacto en la mitigación de la UHI al variar la fracción de huecos mantiendo constante el riego (riego parcial) y el diámetro medio de las partículas (diámetro de valor medio). 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base 10cm sup Tsup_caso 1 % huecos bajo 10cm sup Tsup_caso 2 % huecos medio 10cm sup Tsup_caso 3 % huecos alto 10cm sup Radiación global horizontal 65 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana MITIGACIÓN UHI Caso 1 porcentaje huecos bajo Caso 2 porcentaje huecos medio Caso 3 porcentajes huecos alto 0:00 3.36 3.31 3.24 7:00 2.74 2.69 2.62 14:00 1.65 1.60 1.53 19:00 3.60 3.55 3.48 Tabla 3-17. Reducción de la UHI respecto del caso base. Como se observa en la Tabla 3-17, la mitigación del fenómeno de la isla de calor urbana es beneficioso, pero no está relacionado con la variaciaón de la fracción de huecos en el pavimento, si no en el riego que se realiza sobre este. Como se muestra, la variación de la reducción de este fenómeno entre los casos es insignificante por tanto se demuestra que no es un parámetro crítico para el análisis de la mitigación de la UHI. 4. Impacto en confort térmico. Se evalúa el impacto de la variación de la fracción de huecos en el decremento de la temperatura de sensación. Decremento Temperatura de Sensación (°C) ZONA DE PASO ZONA DE ESTANCIA Dimensión Característica 4 m Dimensión Característica 8 m Dimensión Característica 30 m Bajo Porcentaj e Huecos Medio Porcenta je Huecos Alto Porcenta je Huecos Bajo Porc entaj e Huec os Medio Porcent aje Huecos Alto Porcent aje Huecos Bajo Porcenta je Huecos Medio Porcent aje Huecos Alto Porcenta je Huecos 0:00 2.18 2.15 2.10 0.62 0.61 0.60 2.74 2.70 2.64 7:00 1.77 1.74 1.70 0.51 0.50 0.49 2.23 2.19 2.13 14:00 1.07 1.04 0.99 0.31 0.30 0.28 1.34 1.31 1.25 19:00 2.33 2.30 2.25 0.67 0.66 0.64 2.93 2.89 2.83 Tabla 3-18. Reducción de la temperatura de sensación respecto del caso base. La variación del porcentaje de huecos en un pavimento no es clave a la hora de reducir la temperatura de sensación. Como se ha mencionado anteriormente, los tres casos tienen un riego parcial que hace que la temperatura de sensación disminuya. Se observa en la Tabla 3-18, que para todas las zonas el efecto es favorable, pero como se ha mencionado, es debido a la aplicación del riego en el pavimento. Concluyendo, la aplicación de la variación de la fracción de huecos es una opción viable siempre que se aplique riego sobre la superficie. Variación del diámetro de la partícula con un riego parcial y una fracción de huecos media. En este apartado se va a variar el diámetro de la partícula, modificando la granulometría del pavimento, RESULTADOS Y DISCUSIÓN 66 manteniendo constante el riego, con un riego parcial, y la fracción de huecos, con una fracción de huecos media. Se quiere analizar el impacto que tiene la variación del diámetro de la partícula en la temperatura superficial del pavimento, la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del pavimento, la reducción del fenómeno de la isla de calor urbana y el aumento del confort térmico. Como se ha mencionado, se van a variar en tres valores, bajo, medio y alto que se muestra en la siguiente tabla. Caso Riego Fracción de huecos (%) Diámetro partículas Base Sin riego Sin fracción de huecos Sin diámetro partículas Caso 1 diámetro bajo Riego parcial 20 0.001 Caso 2 diámetro medio Riego parcial 20 0.01 Caso 3 diámetro alto Riego parcial 20 0.02 Tabla 3-19. Evaluación de casos variando el diámetro de la partícula. 1. Temperatura superficial. Se analiza la influencia de la variación del diámetro de la partícula de un pavimento con un valor bajo, medio y alto, en la temperatura superficial del pavimento con respecto al caso base. Una aclaración importante es que no se va a desglosar cada uno de los casos frente al caso base, como se ha realizado a lo largo del documento, debido a que la variación del diámetro de la partícula no es un factor determinante debido a que al cambiar el diámetro de la partícula no varía la temperatura superficial. A continuación se muestra la variación de la temperatura superficial respecto a la variación del diámetro de la partícula. Figura 3-20. Comparación de la temperatura superficial del caso base y de los casos con variación del diámetro de la partícula. Como se observa en la Figura 3-20, la temperatura superficial conforme aumenta el diámetro de la partícula es menor, aunque son diferencias de temperaturas pequeña. Realmente el efecto en la reducción de la temperature superficial la provoca el efecto del riego parcial sobre el pavimento, el diámetro de la partícula no afecta apenas 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso 1 diámetro bajo Tsup_caso 2 diámetro medio Tsup_caso 3 diámetro alto Radiación global horizontal 67 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana en reducir la temperature superficial. Para observar este efecto, se informa de las temperatura promedios de los diferentes casos para facilitar la explicación y visión de este efecto. Caso base Caso 1 diámetro bajo Caso 2 diámetro medio Caso 3 diámetro alto Tsuperficial Tsuperficial Tsuperficial Tsuperficial 0:00 30.92 19.25 18.65 17.52 7:00 28.05 18.68 18.08 16.95 14:00 58.42 53.08 52.48 51.35 19:00 37.20 24.66 24.06 22.93 Tabla 3-20. Temperaturas promedio de los diferentes casos. Como se ha mencionado anteriormente, se observa que la temperatura de la superficie disminuye, aunque no en un valor grande, conforme aumente el diámetro de la partícula. Como aumenta siempre, en horarios con radiación nula y con radiación incidente, se analizará el aumento de la temperatura superficial en el horario de mayor actividad, 14:00. A las 14:00, la temperatura superficial del caso base, correspondiente a un pavimento convencional no poroso, es de 58.42ºC, la temperatura superficial del caso 1 con un diámetro de partílcula bajo es de 53.08ºC, disminuyendo la temperatura superficial frente al caso base, pero aumentando el diámetro de partícula se consigue una reducción mayor. Para el caso 2 con un diámetro de partícula medio, la temperatura superficial es de 52.48ºC y caso 3 con un diámetro de partícula alto, la temperatura superficial es de 51.35ºC. Concluyendo, se demuestra como disminuye la temperatura superficial aumentando el diámetro de la partícula debido a que aumenta la permeabilidad, filtrándose mayor cantidad de agua en la capa exterior como se observa en la Ecuación 14. - Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie. Se analiza el impacto de la variación del diámetro de partícula en la temperatura del interior del pavimento. Como en los apartados anteriores, se quiere conseguir que la temperatura interior del pavimento sea menor que en el caso base, ya que es beneficioso para la estructura y materiales de este. Además, se consigue disminuir la inercia térmica propia del pavimento, otro aspecto beneficioso para obtener los objetivos del proyecto. Al igual que en el apartado anterior, se van a representar las tres alternativas (diámetro de partícula bajo, medio, alto) frente al caso base en la misma gráfica debido a que el cambio en la temperatura interior es practicamente nulo entre los tres casos. Frente al caso base, si hay una diferencia de temperatura importante. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 68 Figura 3-21. Comparación de la temperatura en un punto a 10 cm de la superficie del caso base y de los casos con variación del diámetro de partícula. Se observa en la Figura 3-21, la temperatura en el interior del pavimento disminuye conforme aumenta el diámetro de la partícula, por tanto, el aumento de la partícula con un riego parcial y una fracción de huecos media es beneficioso para la disminución de la temperatura interior. La disminución de la temperatura interior del pavimento es beneficioso para los materiales que componen la estructura del pavimento y para disminuir la inercia térmica de este. Al aumentar el diámetro de la partícula, aumenta la permeabilidad que es la cantidad de fluido que se filtra a través de un pavimento, por lo que reduce la temperatura interior de este, como se observa en la Ecuación 14. 3. Impacto en el fenómeno de la isla de calor urbana (UHI). En este apartado, se va a evaluar el impacto de la variación del diámetro medio de la partícula con la reducción del fenómeno de la isla de calor urbana. MITIGACIÓN UHI Caso 1 Caso 2 Caso 3 0:00 3.15 3.31 3.62 7:00 2.53 2.69 3.00 14:00 1.44 1.60 1.91 19:00 3.39 3.55 3.86 Tabla 3-21. Reducción de la UHI respecto del caso base. No se va a diferenciar en horas debido a que el decremento de temperatura superficial siempre es positivo, dando lugar a una reducción del efecto de la UHI de todos los casos en todos los horarios analizados. Se observa que 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base 10cm sup Tsup_caso 1 diámetro bajo 10cm sup Tsup_caso 2 diámetro medio 10cm sup Tsup_caso 3 diámetro alto 10cm sup Radiación global horizontal 69 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana el decremento de mayor conforme el diámetro medio de la partícula aumenta, debido a que aumenta la permeabilidad y por tanto la cantidad de agua que se filtra en el pavimento lo que es muy beneficioso para la reducción de la temperatura superficial. 4. Impacto en confort térmico. Se evalúa el impacto de variar el diámetro de la partícula en el decremento de la temperatura de sensación. Decremento de la Temperatura de sensación (ºC) ZONA DE PASO ZONA DE ESTANCIA Dimensión Característica 4 m Dimensión Característica 8 m Dimensión Característica 30 m Partícula Pequeña Partícula Media Partícula Grande Partícul a Pequeñ a Partíc ula Medi a Partíc ula Gran de Partíc ula Pequ eña Partícula Media Partícul a Grande 0:00 2.1 2.35 2.54 0.6 0.67 0.73 2.64 2.95 3.19 7:00 1.7 1.94 2.14 0.49 0.56 0.61 2.13 2.44 2.69 14:0 0 0.99 1.24 1.43 0.28 0.35 0.41 1.25 1.56 1.8 19:0 0 2.25 2.5 2.69 0.64 0.71 0.77 2.83 3.14 3.39 Tabla 3-22. Reducción de la temperatura de sensación respecto del caso base. El aumento del diámetro medio de la partícula de un pavimento poroso está relacionado directamente con la permeabilidad. Al aumentar el diámetro de la partícula, aumenta la permeabilidad. Se observa en la Tabla 3-22, que para cualquier tramo horario el aumento del diámetro de la partícula es favorable, además de que se aplica un riego parcial. Al aumentar la permeabilidad, la cantidad de agua que se filtra es mayor lo que produce una disminución de la temperatura superficial y por consiguiente, un decremento de la temperatura de sensación. Concluyendo, la técnica de aumentar el diámetro de la partícula es una opción viable pero siendo necesario un riego sobre la superficie del pavimento, ya que si se aumenta la permeabilidad se debe aplicar riego. Pavimentos heterogéneos Los pavimentos heterogéneos son pavimentos cuya capa exterior (superficie) está compuesta por diferentes materiales, al contrario que los pavimentos homogéneos cuya capa exterior está formada por el mismo material. En este documento se lleva a cabo una distribución de dientes de sierra en la construcción de los pavimentos heterogéneos. La finalidad es observar como influye esta distribución en la reducción de la temperatura superficial, la temperatura en el interior del pavimento, la mitigación del fenómeno de la isla de calor urbana y el aumento del confort térmico. A continuación, se muestra el tipo de pavimento con esta distribución. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 70 Figura 3-22. Pavimento con variación geométrica de la superficie heterogénea. En primer lugar, se evalúa la influencia de variar la superficie heterogéneadel pavimento. Se realizan tres geometriás diferentes del pavimento base, en los cuales se ha visto modificada la superficie con una distribución de menos a más significativa y observar si la distribución es beneficiosa para los objetivos. Por otro lado, se analiza el impacto del riego con una geometría de la superficie heterogénea con dos tipos de riego. Ambos riego son parciales con la diferencia de las horas de riego. En un primer caso, el tramo horario está comprendido entre las 11:00-13:00 y el segundo caso de 11:00-17:00. Se aumenta las horas de riego del primer caso al segundo caso en la horas más críticas del día, ya que la radiación global incidente y la actividad urbana son altas. A continuación, se exponen todos los casos correspondientes a pavimentos heterogéneos que se han analizado. 71 Caso Espesor (m) Calor específico (Kj/KgK) Conductivida d térmica (W/mK) Densidad (Kg/m3) Reflectancia Absortividad Emisivi dad Diámetro partícula (m) Permeabilidad (1/m2) %huecos Geometría 2 Heterogéneos Drenantes Hormigón ligero 6 0.89 0.6 1200 0.15 0.85 0.84 Geometría 2 Heterogéneos Drenantes Césped y grava 6 0.89 0.6 1200 0.15 0.85 0.84 7 1.9851E-10 58772.64 Tabla 3-23. Propiedades de las diferentes superficies que componen la superficie heterogénea. TÉCNICAS CASO 1 CASO 2 CASO 3 Variación de la geometría de la superficie heterogénea Baja variación de la geometría de la superficie heterogénea. Media variación de la geometría de la superficie heterogénea. Alta variación de la geometría de la superficie heterogénea. Aumento del tramo horario de riego parcial sobre el pavimento Tramo de riego parcial de 11:00-13:00 Tramo de riego parcial de 11:00-17:00 Tabla 3-24. Técnicas utilizadas para evaluar su impacto sobre la temperatura del pavimento. 72 Influencia de la distribución de la superficie exterior del pavimento Como se ha mencionado anteriormente, a continuación se analiza la influencia geométrica para este tipo de pavimentos. Para ello se evaluan las tres configuraciones que se muestran en la siguiente tabla. CASO 1 CASO 2 CASO 3 Tabla 3-25. Tipos de variación geométrica de la superficie heterogénea. Se observa en la Tabla 3-25, la diferencia en la distribución de la superficie de cada uno de los pavimentos que se analizan para obtener un resultado del impacto de esta técnica en los diferentes objetivos. Los materiales que componen cada una de las superfices son hormigón, césped y grava o arena. En esta primera evaluación no se va a tener en cuenta el riego del pavimento. El pavimento únicamente cambia la distribución de la superficie exterior (heterogénea). - Temperatura superficial. Se analiza el impacto que tiene la variación de la geometría de la superficie heterogénea del pavimento, ver los beneficios o inconvenientes que tiene la disposición de esta técnica en el pavimento. 73 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 3-23. Comparación de la temperatura superficial del caso base y de los tres tipos de distribución con variación geométrica de la superficie heterogénea. Se observa en la Figura 3-23, la poca variación que sufre la superficie de los pavimentos en su temperatura superficial con el cambio de la distribución. Por el contrario, en horas donde la radiación global incidente es mayor, horas críticas, la temperatura superficial del pavimento aumenta y en horas donde la radiación es nula, la temperatura superficial disminuye. Esto es debido a una mayor variación de la geometría de la superficie heterogénea, la superficie exterior está dividida en un mayor número de adoquines pequeños, lo que promueve una mayor transferencia de calor por conducción entre el hormigón y el césped siendo esto, como se puede observar, favorable para la disminución de la temperatura superficial. Se observa de forma más clara en la siguiente tabla de temperaturas promedio. Caso base Caso 1 Caso 2 Caso 3 Tsuperficial Tsuperficial Tsuperficial Tsuperficial 0:00 30.92 26.39 25.86 24.57 7:00 28.05 27.29 26.74 25.40 14:00 58.42 63.70 62.42 59.30 19:00 37.20 31.56 30.93 29.39 Tabla 3-26. Temperaturas promedio de los diferentes casos. Concluyendo, el cambio en la distribución de la superficie exterior del pavimento sin aplicar ningún tipo de riego es favorable en comparación con el mismo tipo de pavimento (heterogéneo) con menor número de adoquines, pero desfavorable si se compara con el pavimento del caso base. - Temperatura en un punto a 10 cm de la superficie. La temperatura en un punto interior del pavimento se analiza para obtener resultados de como varía la temperatura media debido a que es un inconveniente para la estructura del pavimento un aumento de esta temperatura. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 22/09 00:00 22/09 06:00 22/09 12:00 22/09 18:00 23/09 00:00 Radiación global horizontal (W/m2) Temperatura [ºC] Taire Tsup_caso base Tsup_caso 1 Tsup_caso 2 Tsup_caso 3 Radiación global horizontal 11 4 BASE DE DATOS Y VINCULACIÓN A SOLUCIONES REALES Las diversas técnicas analizadas y evaluadas en este proyecto se han recopilado en una base de datos. en dicha base de datos se han recogido valores de la diferencia de temperatura superficial, mitigación del fenómeno de la isla de calor urbana (UHI), decremento de la temperatura de sensación en los tres tipos de estancia descritos a las 14:00 y a las 19:00. la finalidad de presentar los valores a esta hora es debido a que a las 14:00 se evalúa el confort térmico y a las 19:00 se evalúa la mitigación de la UHI. Además, se han comparado las técnicas simuladas en el documento con tipos de pavimentos reales mediante links e imágenes. todo esto se encuentra recogido en el anexo tipo excel que complementa a la memoria del trabajo fin de grado. 10 10 5 CONCLUSIONES El objetivo de este documento es evaluar diferentes procedimientos de reducción de la temperatura superficial, así como la del interior del pavimento (los resultados se han obtenido en un punto a 10 cm de la superficie). Esta reducción conlleva a su vez a la mitigación de dos fenómenos: la isla de calor urbana (UHI) y la temperatura de sensación. Se han estudiado diversas técnicas variando parámetros térmicos, parámetros de la estructura (porosidad) y la geometría de la superficie exterior del pavimento base, del cuál se ha partido para determinar si las técnicas son beneficiosas o no. Por un lado, los pavimentos homogéneos no drenantes han sido modificados en la conductividad térmica y en la absortividad de su superficie exterior. En el primer caso, se ha comprobado que no es una técnica beneficiosa para los objetivos que se buscan, al contrario que el cambio de la absortividad, donde sí se han obtenido resultados satisfactorios. Por otro lado, en los pavimentos homogéneos drenantes se ha variado tanto el porcentaje de huecos como el diámetro de la partícula, además de aplicar riego sobre su superficie exterior. Este último procedimiento se considera determinante en este tipo de pavimientos, consiguiendo siempre resultados favorables, independientemente de que el riego sea parcial o continuo. Por último, en los pavimentos heterogéneos se han analizado dos aspectos, el impacto de la variación de la geometría de la superficie exterior y el aumento del tramo horario de riego sobre esta. En el primero, se ha comprobado que los resultados mejoran al aumentar la distribución, pero no logran los objetivos debido a que no se aplica riego. Respecto al segundo caso, el aumento del tramo horario donde se aplica el riego y una alta distribución en la geometría de la superficie dan lugar a resultados beneficiosos. 11 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana ANEXO 12 12 ANEXO En este apartado, se va a proceder a la explicación del procedimiento de cálculo. Las partes que se utilizan son, por orden, ``GEOMETRY’’, ``MESH´´ y ``FLUENT´´. 1. GEOMETRY. En este apartado, se describe la geometría del pavimento del cuál se va a realizar el estudio. Hay dos pestañas principales: − Modeling: En esta pestaña se definen los denominados ``Sketch´´ que son las diferentes geometrías que hemos definido y que componen el pavimento. Además, se define el plano de dibujo, en nuestro caso es el plano XY. − Sketching: Dentro de esta pestaña hay varios apartados, dos de los cuales se van a utilizar para la resolución de los casos y de los cuales se hablará a continuación. Los pasos que se han llevado a cabo son los siguientes: • Hay diferentes geometrías que se pueden utilizar, pero como nuestro caso es un pavimento, la geometría que se va a utilizar es la de rectángulo. Dentro de la ventana ``Sketching´´ en el apartado ``Draw´´ se selecciona ``Rectangle”. Figura 0-1. Selección de geometría. . • Para definir el rectángulo, se introducen las dimensiones (X e Y, ya que estamos en 2D) en la ventana de “Sketching”, apartado ``Dimensions´´, se seleccionan las dimensiones ``Horizontal´´ y ``Vertical´´ correspondientes al ancho y alto del rectángulo. Por último, se seleccionan dos puntos de un lado del rectángulo y se introduce la medida correspondiente. 13 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 0-2. Dimensiones. • En la pestaña “Modeling” se reflejan todas las partes de nuestro pavimento, los denominados ``Sketch´´. Como ejemplo, se ilustrará un pavimento de estudio para verlo. Figura 0-3. "Sketches" 2. MESH. La función principal del mallado es simular el pavimento para su estudio. En primer lugar, se define la dimensión del mallado, mientras más pequeño sea el mallado más exacto será el resultado. En nuestro caso, el mallado será de 0.25 metros. Para realizar el mallado, en la pestaña ``Details of Mesh´´ se modifican varios aspectos. En el apartado ``Physics Preferences´´ se selecciona ``CFD´´ porque… Además, en el apartado ``Element Size´´ se define la dimensión del mallado, como se ha mencionado anteriormente, el mallado será de 0.25 metros. Por último, se genera el mallado en ``Generate Mesh´´. ANEXO 14 14 Figura 0-4. Realización del mallado. En el mallado, se definen las capas del pavimento, la superficie exterior e interior y las interfaces entre las capas del pavimento. Para definir una superficie, puede ser un cuerpo, una cara, una línea o un vértice, se pulsa con botón izquierdo en ``Model (B3)´´, luego en ``Insert´´ y finalmente en ``Named Selection´´. Una vez definido, se selecciona y se nombre la parte del pavimento. Para cualquier elemento del pavimento se realiza de la siguiente forma: Se selecciona el elemento ya nombrado y en la pestaña “Details of Selection”, en el apartado ``Geometry´´ se pulsa ``Apply´´. Se propone un ejemplo que se ha realizado en el programa, que consiste en definir una cara de un pavimento. Se ilustrará el ejemplo con imágenes de su realización para una mejor explicación. • PASO 1: En este paso, se selecciona el nombre del elemento ya nombrado, en nuestro caso se denomina como ``CAPA 4´´. 15 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Figura 0-5. Paso 1: Nombre del elemento. • PASO 2: En la pestaña “Details of Selection”, en el apartado ``Geometry´´ se selecciona el elemento y se pulsa ``Apply´´. Figura 0-6. Paso 2: Aplicación del elemento. • PASO 3: Por último, se pulsa sobre el nombre del elemento y el resultado es el siguiente. Un aspecto a tener en cuenta en la siguiente ilustración es el tipo de superficie que se ha seleccionado, ya que es una cara, si fuera un cuerpo, línea o vértice se seleccionaría su correspondiente símbolo que aparece en la parte superior de la imagen. Esta selección se debe hacer al principio del PASO 1. ANEXO 22 22 Una vez definido las superficies de estudio, se crearán los denominados ``Report Definitions´´ para obtener los resultados. En ``Report Definitions´´ se crea un archivo nuevo en ``New´´, luego ``Surface Report´´ y por último ``Area-Weighted Average´´. Figura 0-20. Archivo de resultados. A continuación, se abre una ventana donde sale el nombre que se le quiere poner al archivo, la variable que se quiere obtener (en nuestro caso va a ser la temperatura) y por último la superficie donde se quiera obtener. Figura 0-21. Archivo de resultados. • EXPORTAR RESULTADOS. 23 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana Para exportar archivos, dentro del apartado ``Monitors´´ se crea el archivo que se quiera exportar en ``Report Files´´. En primer lugar, se crea un nuevo archivo en ``New´´ y se abre una ventana donde, a un lado quedan los archivos de ``Report Definitions´´. Se selecciona el archivo que se quiera estudiar y se pulsa ``Add´´. Además, se puede cambiar el nombre del archivo para cuando se exporte no salga con el nombre por defecto de ``Fluent´´. Figura 0-22. Exportar resultados. Para terminar la simulación, se pulsa sobre ``Initialization´´ y dentro de ``Run Calculation´´ en ``Calculate´´. • ZONA POROSA. Este último apartado va a describir el proceso para definir una zona porosa y poder simular en ``Fluent´´ pavimentos drenantes. Una vez definida las capas, se pulsa sobra la capa superficial y se cambia el tipo de capa que es, en lugar de elegir sólido se selecciona fluido. Se abre una ventana que tiene el siguiente formato: ANEXO 24 24 Figura 0-23. Zona porosa. Se pulsa sobre la capa que se quiere modificar y se pula ``Edit´´, se abre una pestaña donde hay que seleccionar el fluido que se va a filtrar por la capa y el método que se va a utilizar que es ``Porous Zone´´. En este apartado se piden varios parámetros que se van a describir a continuación. Para obtener la simulación de una zona porosa se deben definir la dirección del flujo en nuestro caso en la dirección x e y, la x tiene valor 0 y la y -1 debido a que el flujo va hacia el interior del pavimento, la permeabilidad, un coeficiente denominado C2, la porosidad del pavimento que se calcula con la siguiente ecuación: Porosidad=1-%huecos. Figura 0-24. Parámetros que definen una zona porosa. 25 Uso de pavimentos fríos como alternativa a la mitigación de la isla de calor urbana 6 REFERENCIAS [1] Santamouris M. Energy and Climate in the Urban Built Environment. James James Sci Publ 2001. [2] Bahi H, Mastouri H, Radoine H. Review of methods for retrieving urban heat islands. Mater Today Proc 2020. doi:10.1016/j.matpr.2020.03.272. [3] Oke, T.R, Johnson, G.T., Steyn DG and W. Simulation of Surface Urban Heat Islands under ‘Ideal’ Conditions at Night – Part 2: Diagnosis and Causation. Bound Layer Meteorol 1991;56:339–358. [4] Akbari Hashem, Matthews HD. Global cooling updates: reflective roofs and pavements. Energy Build 2012;55:2–6. [5] Doulos L, Santamouris M, Livada I. Passive cooling of outdoor urban spaces. The role of materials. Sol Energy 2004;77:231–49. doi:10.1016/j.solener.2004.04.005. [6] Jooseng Gavin_Gui, Patrick E. Phelan, Kamil E. Kaloush JSG. Impact of Pavement thermophysical properties on surface temperatures. 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