Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio

Equation Chapter 1 Section 1 Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Trabajo de Fin de Grado Ingeniería de la Energía Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio Autora: María Teresa Cano Varela Tutores: Servando Álvarez Domínguez, José Sánchez Ramos Sevilla, 2023 2 Trabajo de Fin de Grado Ingeniería de la Energía Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio Autora: María Teresa Cano Varela Tutores: Servando Álvarez Domínguez José Sánchez Ramos Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 4 Trabajo de Fin de Grado: Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio Autor: María Teresa Cano Varela Tutor: Servando Álvarez Domínguez, José Sánchez Ramos El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal 6 Agradecimientos En primer lugar, agradecer a mi profesor Servando Álvarez por creer en mi propuesta desde el primer momento. Ha sido un honor para mí trabajar con él. Sin embargo, debo decir que este trabajo no se hubiese materializado sin todas las personas del departamento de Termotecnia que me han ayudado y han estado pendientes de mi trabajo, pero sin duda, en especial a mi profesora Teresa Rocío Palomo. Gracias de corazón por toda la implicación y el esfuerzo. En segundo lugar, agradecer a mi abuela María Concepción Pairet Blasco por dejarme utilizar su casa como centro de experimentación y estar atenta día tras día de abrir las ventanas cuando era necesario. También a toda mi familia materna por prestarme la atención y ayuda que he necesitado durante el verano del 2023. María Teresa Cano Varela Castilleja de la Cuesta, 2023 8 Resumen Existe la necesidad de reducir la demanda de energía de los edificios para poder asegurar entre otros objetivos, una independencia energética de los territorios, así como la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Esta reducción debe llevarse a cabo desde el profundo estudio y respeto por la cultura, el estilo de vida y la arquitectura vernácula de las diferentes comunidades. En la región de Andalucía existen numerosos ejemplos de como conseguir estos objetivos utilizando recursos propios durante la construcción como son los patios o el uso de materiales masivos, como es el tapial, para conseguir una mayor inercia térmica. Junto a los elementos arquitectónicos, las condiciones operacionales como la ventilación nocturna o el adecuado control solar son de vital importancia y, además, son legado inmaterial de los habitantes que pueblan esta zona. En este trabajo, se recoge de forma técnica los efectos que la aplicación de este conocimiento popular tiene sobre la mejora del confort térmico en una de las zonas más cálidas de la península Ibérica, como es Écija. Así se demuestra que el hecho de abrir las ventanas por la noche reduce hasta en 6 ºC la temperatura de las estancias durante el día, que los patios son oasis climáticos en el corazón de las viviendas o que la oscuridad típica de las casas antiguas de pueblo es una fantástica técnica de reducción de la demanda de energía en edificios. 16 Notación IEA STEPS International Energy Agency Stated Policies Scenario APS Announced Pledges Scenario NZE Net Zero Emissions IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change UE IDAE UNESCO AEMET Unión Europea Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization Agencia Estatal de Meteorología PGOU Plan General de Ordenación Urbana HULC Herramienta Unificada Líder Calener 1 INTRODUCCIÓN A demanda de energía primaria total en el sector de la edificación, se ha incrementado en la última década en una media de un 1% al año, alcanzando los 133 EJ en 2022 (IEA, 2023). La IEA, en su informe World Energy Outlook del año 2023, describe distintos escenarios sobre la demanda de energía primaria en el sector de la edificación. El primero de ellos es el denominado STEPS que aporta una visión basada en las últimas medidas tomadas por parte de los gobiernos en materia de energía y sostenibilidad. El segundo es el APS que ilustra hasta qué punto las ambiciones y objetivos presentados por los gobiernos pueden reducir las emisiones hasta el punto de conseguir el objetivo de cero emisiones netas para 2050. Este escenario incluye las propuestas presentadas y asume que estos objetivos se cumplirán en el tiempo establecido. Por último, se incluye el NZE que es una visión normativa que traza una hoja de ruta para alcanzar el objetivo de cero emisiones netas de dióxido de carbono para 2050. En la Figura 1 se muestra el escenario STEPS como el más desfavorable, tanto en demanda por fuente de energía, como en demanda por uso final de la energía, seguido por el APS, como el caso intermedio, pero muy lejos del escenario que marca el ritmo para conseguir los objetivos que es NZE. Todos ellos, sin embargo, asumen un aumento de la demanda energética debido a que se supone un crecimiento de la población y no solo eso, un aumento del parque edificatorio y, por tanto, de las personas que serán propietarias de una vivienda. Es por ello que, el sector de la edificación debe contribuir de manera inmediata a la reducción de esta demanda con medidas de ahorro y eficiencia que se tengan en cuenta desde el momento en el que los edificios son diseñados. L "Aire aire Pasa pasa Que tenga la puerta abierta La alegría pa’ mi casa." Aire, José Mercé (2000) Introducción 18 Es realmente interesante detenerse en la demanda de energía que supone el acondicionamiento de los espacios para el régimen de refrigeración. En todos los escenarios que se presentan, aumenta la demanda de este servicio, mientras que la demanda energética en el régimen de calefacción disminuye en todos los escenarios, debido a medidas como la proliferación de bombas de calor, entre otras. Sin embargo, parece que, al incrementarse la demanda de energía por razones poblacionales, especialmente en África y las regiones de Asia Pacífico, la demanda de acondicionamiento en régimen de refrigeración aumentará ya que las regiones mencionadas están localizadas en latitudes cuyos climas son cálidos y húmedos. Para que esta demanda no se dispare como lo hace en el escenario STEPS para el 2050, es imperativo trabajar en soluciones arquitectónicas vernáculas ya que la sociedad de un país desarrollado, que desconoce el clima y la forma de vida de los habitantes de un país distinto al suyo y que está localizado en otro punto geográfico de la Tierra, no debe obviar toda la sabiduría de la que los habitantes locales han hecho uso durante siglos. Estos países desarrollados, no pueden pretender instalar sus tecnologías y formas de vida en lugares que no conocen, porque más tarde o más temprano, fracasarán en su tarea. En este Trabajo de Fin de Grado se pretende dar forma científico-técnica a una sabiduría que durante siglos y siglos se ha ido perfeccionando, pues ha bebido de las diferentes culturas que han ocupado lo que hoy en día es la Comunidad Autónoma de Andalucía, en el sur de España. Estas técnicas han proliferado porque han resultado útiles en su función y han sabido adaptarse a la vida de los habitantes de la región, así como ellos han desarrollado hábitos que les permitían tener un mayor confort en sus hogares. El culmen de toda esta tecnología se alcanza cuando la arquitectura y la forma de vida se plasma en la música, en la pintura o en fiestas tradicionales que son Patrimonio Cultural Inmaterial de la Humanidad como son los Patios de Córdoba (UNESCO, 2012). Siendo conscientes de la importancia de poner en valor este saber vernáculo, la Unión Europea trabaja desde el año 2022 en el proyecto New European Bauhaus, (Unión Europea, 2023) bajo el lema “beautiful, sustainable, together”, que impulsa el desarrollo de un proyecto trascendental en el ámbito de la edificación que tenga en cuenta que las construcciones deben ser enriquecedoras estando inspiradas en el arte y la cultura, siempre respondiendo a las necesidades a través de la funcionalidad; deben ser sostenibles, en armonía con la naturaleza, el medioambiente y nuestro planeta y por último, deben ser inclusivas, convocando al diálogo entre culturas, disciplinas, géneros y edades. De manera inequívoca, es el último punto el que es fuente de inspiración para este trabajo. Se pretende que la arquitectura típica andaluza proporcione una respuesta a los retos en los que Europa y el mundo entero se verán inmersos en los próximos años a consecuencia del incremento de la temperatura media del planeta (IPCC, 2023), gracias al estudio y posterior integración de los elementos que la caracterizan, en la edificación del futuro. Otro de los pilares que constituirá la edificación del futuro es la rehabilitación de los edificios. El ritmo de renovación de edificios tiene que aumentar ya que el parque inmobiliario existente constituye el sector con mayor potencial de ahorro de energía. Además, los edificios son cruciales para alcanzar el objetivo de la Unión Europea de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 80 % y un 95% para 2050 respecto a 1990 (UE, 2012). Desde la unidad social que es la Unión Europea, los países del sur y, Figura 1: Demanda por fuente de energía y por uso final de la energía del sector de la edificación a nivel mundial en diferentes escenarios, desde 2022 a 2050. Fuente: IEA 19 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio sobre todo, aquellas regiones con climas más cálidos comparten su conocimiento y saber hacer con el resto de los países miembros, siempre bajo las líneas que propone el proyecto New European Bauhaus. Es precisamente España, uno de esos países que por la latitud en la que se encuentra, cuenta con regiones especialmente expuestas a las altas temperaturas. Se estima que el consumo de energía final del sector edificación en España ascendió en el año 2005 a 18.123 ktep, lo que representa el 17% del consumo de energía final (106.940 ktep). De estos consumos, 10.793 ktep correspondieron al consumo energético del sector doméstico, lo que representa un 10% del consumo energético nacional. El consumo de energía final en el sector doméstico se distribuye para una vivienda media como se puede observar en la Figura 2. Figura 2: Distribución del consumo de energía de los hogares en la vivienda en España. Fuente: IDAE El peso del aire acondicionado, dada su estacionalidad, no alcanza a fecha de 2007 valores de consumo importantes, aunque contribuye a generar picos de demanda eléctrica que contribuyen a ocasionar problemas locales en la continuidad del suministro eléctrico en los periodos de verano en que se alcanzan las temperaturas exteriores más altas (IDAE, 2007). De esta información se extraen varias problemáticas. La primera de ellas es el importante peso que tiene dentro del cómputo total del consumo de energía a nivel nacional el sector edificatorio, por lo que se debe prestar especial atención en este campo durante el diseño y la operación para reducir, a nivel nacional, el consumo de energía final. La segunda, es que el uso de aire acondicionado en períodos estacionales introduce un nuevo desafío en el sistema eléctrico puesto que los equipos de climatización requieren de una alta potencia instalada en el hogar. Una generalización de una alta potencia instalada en los hogares también es una generalización de la alta potencia que el país en conjunto debe instalar para hacer frente a estos picos estacionales de demanda. Por otra parte, en el sector no residencial español, existen tres usos que suponen el 87% del consumo de toda la energía del sector: refrigeración (30%), calefacción (29%) e iluminación (28%). La ofimática (4%) y el agua caliente sanitaria (3%) le siguen a gran distancia. En este caso, la refrigeración representa la contribución más alta al consumo de energía, puesto que estos edificios tienen unas cargas térmicas elevadas como son la alta ocupación, la presencia de equipos informáticos y lumínicos o incluso la búsqueda de un mayor confort, bien para potenciar el rendimiento de los trabajadores o bien, para incrementar las compras. Para poder ofrecer conclusiones más detalladas que constituyan un marco no solo teórico si no también experimental, este Trabajo de Fin de Grado, propone el estudio de una vivienda localizada en la provincia de Sevilla, en la Comunidad Autónoma de Andalucía. La elección de esta vivienda como centro experimental se realiza puesto que la autora del trabajo reconoce en su propia experiencia como las condiciones que se alcanzan en verano en el interior de la vivienda, son condiciones de confort pese a la inexistencia de equipos de climatización y las duras condiciones climatológicas en el lugar en el que se localiza la vivienda. En una observación preliminar, alguno de los elementos constructivos que se reconocen como propios de la arquitectura tradicional andaluza es el uso de patios interiores, elemento que se reconoce también en importantes monumentos en la región andaluza como es El Patio de las Doncellas en el Alcázar de Sevilla, en la Ilustración 1, Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO (UNESCO, 1987). Introducción 20 Otro magnífico ejemplo es el Patio de los Leones, en la Alhambra de Granada, también Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO (UNESCO, 1984), que se puede observar en la Ilustración 2. Ambos monumentos datan del siglo XIV, durante el período de ocupación islámica, y comparten elementos comunes como son la presencia de fuentes en el centro de estos patios, soportales alrededor que protegen de la radiación del Sol, entre otras inclemencias del tiempo, o la presencia de vegetación en el caso del Patio de las Doncellas. No cabe ninguna duda de que estos elementos que se incluían en residencias de lujo o palacios también se replicarían en viviendas familiares de forma más modesta pero con la misma finalidad. Los patios son una de las estrategias de diseño vernáculas más antiguas, con un origen histórico de hace 5000 años. Tradicionalmente, los patios están asociados con la cultura de Oriente Medio, aunque ha sido reinterpretado en Latinoamérica, China y Europa. Desafortunadamente, aunque los patios hayan jugado un papel único en la historia de la arquitectura como un modificador del microclima, durante los siglos más recientes, han sido injustamente subestimados. El efecto de los patios como una estrategia de diseño pasivo se pone de manifiesto por una parte en el confort de los ocupantes y, por otra parte, en el comportamiento energético del edificio (Amir Tabadkani, 2022). Más específicamente en Andalucía, los edificios populares se definen como de arquitectura cóncava ya que todos los espacios en la casa tienden a converger en el interior de esta, donde normalmente hay un patio que se usa como una dependencia para la convivencia privada (Feduchi, 1978). En la localidad de Carmona, en la provincia de Sevilla, se reconoce la casa de patio central como la que identifica con más fidelidad la arquitectura tradicional de este pueblo. Este patrón distribuye una serie de crujías alargadas en torno a un patio central, que se configura como el elemento fundamental de estructuración de todo el edificio, registrando las estancias que lo rodean. Estas crujías perimetrales son a veces dobles, en uno o alguno de los Ilustración 2: Patio de los Leones en la Alhambra de Granada. Fuente: Patronato de la Alhambra y el Generalife Ilustración 1: Patio de las Doncellas en el Alcázar de Sevilla. Fuente: Real Alcázar de Sevilla 21 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio lados. El patio puede presentar uno o más frentes porticados, tanto en planta baja como alta, y dispone siempre de pozo. La presencia de este gran patio central no es incompatible con la existencia de corrales traseros, espacios de funcionalidad totalmente diferentes (Anglada, 2007). Por otra parte, se pueden también reconocer algunas técnicas que permiten un mayor grado en el confort térmico en las viviendas de Andalucía y que proviene directamente del conocimiento popular. Una de estas técnicas es el control solar con el uso de persianas, contraventanas, cortinas, pero, sobre todo, de la precaución diaria de utilizar estos elementos en las horas de mayor radiación, que suelen ser las posteriores a la apertura de las ventanas para ventilar en la noche. Cuando dispositivos como las contraventanas no son utilizados, se producen aumentos en la temperatura interior de una media de 2.4 ºC. Se encontró que las contraventanas son eficientes al reducir la demanda de refrigeración hasta en un 50% (Wael A. Yousef Mousa, 2017). En cuanto a lo referido a los materiales con los que eran construidos estas viviendas, se tiene constancia del uso del tapial, que es una técnica constructiva que utiliza materiales naturales como tierra, cal, yeso, conglomerado, piedra o escombros cerámicos (J. Canivell, 2014). Este material es legado directo del período de ocupación islámica en la península Ibérica puesto que la mayor parte de los restos existentes pertenecen al período almohade, fechándose éstos entre la segunda mitad del siglo XII y la primera del siglo XIII. […] tapiales simples de época almohade localizados en el Alcázar de Sevilla correspondientes a ambas mitades del siglo XII. Existen distintos tipos en la estructura de las fábricas de tapial y durante el siglo XIII, en los recintos amurallados de Écija, se utilizaba la llamada solución latericia. Desde el punto de vista material, se evidencia una mejora de los tapiales de época norteafricana. Como desde la fase precedente venía siendo habitual en el área sevillana, no se trata de tapiales de tierra (tapia) sino de tapiales mejorados. La tendencia prenorteafricana más común, la de mejorar la argamasa con cal, es la que ahora se impone; será esto también lo que suceda en periodos posteriores y, en general, en todas las áreas geográficas que emplean esta técnica constructiva. Más adelante, en la época moderna (SS. XVI -XVIII) las ventajas de la técnica permitían una rapidez en la ejecución y una economía de medios, siendo especialmente dignas de considerar en unos momentos de expansión urbana y máxima actividad constructiva motivada por el establecimiento de la Casa de Contratación de Indias en 1503, por el consiguiente enriquecimiento de la población y por su amplio desarrollo demográfico. A partir del siglo XIX, la fábrica de ladrillo pasa a ocupar un papel determinante en la Historia de la Construcción local; en paralelo, en el ámbito urbano se evidencia el inicio de un proceso de decadencia de la técnica del tapial (Graciani, 2008). Acerca del enlucido de estos muros de tapial, en la localidad de Carmona, el baño de cal y el mortero de cal son las opciones más extendidas representando cada una de ellas un 38% del total de viviendas estudiadas (J. Canivell, 2014). Introducción 22 2 DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE TRABAJO Y EXPERIMENTACIÓN A sensación térmica, siempre positiva, que se experimenta durante el verano en la que es la casa de la abuela materna de la autora, motiva la realización de este trabajo. Se deciden realizar distintos experimentos con el objetivo de demostrar empíricamente que durante el verano en esta vivienda se puede disfrutar de unas condiciones de confort térmicas adecuadas sin necesidad de ningún equipo de refrigeración. En este capítulo se detalla por una parte la geometría de la casa y las características constructivas que se reconocen como propias de la arquitectura andaluza, así como el entorno en el que la casa se sitúa y, por otra parte, se describen los experimentos que se han llevado a cabo en dicha construcción. 2.1. Descripción del entorno de trabajo En primer lugar, se presenta la localización y descripción de la vivienda y más tarde se procede con la descripción de los experimentos llevados a cabo durante el verano de 2023. 2.1.1 Entorno en el que se sitúa la casa La vivienda se encuentra en la calle Ancha número 15, en el centro de la ciudad de Écija, provincia de Sevilla. Écija se sitúa en el sur de la Península Ibérica, a 87 km de la capital andaluza y a 63 km de la ciudad de Córdoba y a una altitud de unos 106 msnm. En la Ilustración 3 se muestra la ubicación de la ciudad con respecto al resto de España y la provincia de Sevilla. L "En teoría, no hay diferencia entre práctica y teoría. En la práctica, si la hay." Descripción del entorno de trabajo y experimentación 24 Ilustración 3: Posición de Écija en España y en Sevilla. Autores de las imágenes HansenBCN y Miguillen En cuanto a la climatología, según los Avances Climatológicos Mensuales de la AEMET, en los meses de julio y agosto de 2023 (AEMET, julio 2023) (AEMET, agosto 2023) la zona en la que se localiza Écija es una de las zonas de Andalucía en la que se observan temperaturas medias más altas. A continuación, se puede identificar en la Ilustración 4 la totalidad del municipio de Écija, como una de las zonas que tienen un color más rojo, indicando que se alcanzan temperaturas medias de hasta 28 ºC en julio. Ilustración 4: Mapa meteorológico de la temperatura media en julio en Andalucía. Fuente: AEMET En la Ilustración 5 , se puede observar como parte del municipio de Écija alcanza hasta los 30 ºC de temperatura media durante el mes de agosto, en color rojo oscuro. Ambas ilustraciones, están tomadas de los Avances Climatológicos nombrados en el párrafo anterior. 25 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio Ilustración 5: Mapa meteorológico de la temperatura media en julio en Andalucía. Fuente: AEMET Alrededor de la casa, existen construcciones parecidas a esta puesto que la casa se encuentra en el centro histórico y no existen construcciones muy recientes como pudiesen ser altos edificios de bloques de vivienda. Por lo tanto, las viviendas colindantes cuentan con una altura parecida a la vivienda en estudio, como se puede observar en la Ilustración 6 y la Ilustración 7. Ilustración 6: Vista I de la calle Ancha, Écija. Fuente: Google Earth Ilustración 7: Vista II de la calle Ancha, Écija. Fuente: Google Earth Descripción del entorno de trabajo y experimentación 32 - Primera planta. Entrada patio (Sensor 4) En primera instancia, el sensor se colocó cerca de la pared y más tarde se pensó que en ese lugar, las medidas no serían demasiado representativas como ocurría en el caso del zaguán. Finalmente, a partir del día 26 de julio el sensor se coloca en una mesa que se encuentra bajo los soportales alrededor del patio por lo que queda protegido de la intemperie, aunque esté en contacto con el aire exterior que queda confinado por el patio. Se muestra con una elipse en rojo, el lugar donde está el sensor sobre la Ilustración 22. - Primera planta. Habitación (Sensor 5) En este caso, también hubo problemas con el primer sensor que se colocó marca Omega, por lo tanto, a partir del día 26 de julio, se reemplaza por uno marca Elitech. Se muestra en la Ilustración 23 como el sensor está encima de un tocador. Ilustración 22: Posición del sensor 4 Ilustración 21: Posición del sensor 3 33 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio - Segunda planta. Ventana (Sensor 6) Se ubica en una de las ventanas que da al patio, justo en el alféizar. Para colocarla, se dispone un vaso de plástico recubierto con papel aluminio para evitar la radiación directa sobre el sensor y en el interior de este, se coloca un soporte para el sensor. Todo ello se puede consultar en la Ilustración 24. - Segunda planta. Comedor (Sensor 7) Se coloca encima de un mueble aparador, como se observa en la Ilustración 25. Ilustración 23: Posición del sensor 5 Ilustración 24: Posición sensor 6 Descripción del entorno de trabajo y experimentación 34 - Segunda planta. Habitación (Sensor 8) En la Ilustración 26 se observa que se coloca encima de un tocador. - Segunda planta. Salón (Sensor 9) Se coloca encima de una mesa baja, lejos de la corriente que es propiciada durante la apertura de la ventana y la puerta de esta estancia y las ventanas y puertas contiguas que se encuentran en la galería, para el experimento de la ventilación nocturna que se explicará más tarde. A continuación, se muestra la localización exacta del sensor, con una circunferencia roja en la Ilustración 27. Ilustración 25: Posición sensor 7 Ilustración 26: Posición del sensor 8 35 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio - Segunda planta. Habitación Fachada (Sensor 10) Se coloca encima de una mesilla, lejos de la corriente que es propiciada durante la apertura de la ventana y la puerta de esta estancia y las ventanas y puertas contiguas que se encuentran en la galería, para el experimento de la ventilación nocturna que se explicará más tarde. A continuación, se muestra la localización exacta del sensor en la Ilustración 28. - Azotea. Estación meteorológica El último de los instrumentos que se ha colocado es la Estación Meteorológica y el Anemómetro, como pueden verse en la Ilustración 29, este último, para sustituir la función del anemómetro de la Estación Meteorológica que no estaba presentando datos de velocidad de viento. El Anemómetro se colocó el día 6 de agosto. Para obtener los datos de velocidad de viento, se realiza un procedimiento de línea base gracias a los datos que se describen en el apartado 2.1.4 Datos climáticos coincidentes. De igual forma, se procederá con los datos que la Estación Meteorológica no ha ofrecido desde el día 16 de julio a las 10:41 h hasta el día 30 de julio a las 21:41 h y cuya causa se debe a algún fallo de la conectividad entre la estación situada en el exterior y el dispositivo que recoge la información, este último situado en el interior de la casa. Ilustración 27: Posición del sensor 9 Ilustración 28: Posición del sensor 10 Descripción del entorno de trabajo y experimentación 36 2.1.3 Experimentos para evaluar la ventilación nocturna La campaña de monitorización anteriormente descrita se combina con un experimento en el que se evalúan los efectos de la ventilación nocturna. Este experimento consiste en la apertura de ventanas y puertas en la zona oeste de la vivienda, justo la fachada que da a la calle Ancha, en la planta alta. Normalmente, durante el verano, esta zona se encuentra deshabitada y tanto ventanas como puertas, se encuentran normalmente cerradas. Por eso, al abrir las ventanas y puertas de manera controlada durante algunas noches, se pueden comprobar los efectos que tiene la ventilación nocturna en construcciones como esta en la que existe un patio. A continuación, se muestra en la Ilustración 30 con una línea roja, qué ventanas y puertas se abren durante este experimento. Los experimentos se llevan a cabo entre las 21:00 h y las 10:00 h de la mañana siguiente entre los períodos que se indican a continuación: • 9 - 10 julio de 2023 • 15 - 16 julio de 2023 Ilustración 29: Posición Estación Meteorológica Ilustración 30: Puertas y ventanas abiertas zona oeste segunda planta 37 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio • 22 - 25 julio de 2023 • 29 julio – 1 agosto de 2023 • 12 al 14 de agosto de 2023 • 15 al 17 de agosto de 2023 • 20 al 24 de agosto de 2023 • 26 al 28 de agosto de 2023 Este experimento viene motivado porque la ventilación nocturna se concibe como una técnica de reducción de la demanda de energía, cuya expresión matemática se muestra en la Ecuación 1. 𝑄 𝐴𝑎 =(𝜌 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝐴𝐶𝐻𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 ∗ 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎)∗𝐺𝐻𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 ∗ 𝜀 ∗ 𝜂 Ecuación 1: Reducción de la demanda por ventilación nocturna Siendo: - 𝑄 energía calorífica en Wh - 𝐴𝑎 superficie en m2 - 𝜌 densidad del material en kg/m3 - 𝐶𝑝 calor específico del material en J/(kg K) - 𝐴𝐶𝐻𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 renovaciones de aire a la hora durante la noche en h-1 - 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 altura de la habitación en estudio en m3 - 𝐺𝐻𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 gradoshora en ºC h, que describe el incremento de temperatura entre la temperatura exterior e interior durante el total de horas de un período determinado - 𝜀 eficiencia de intercambio, que depende de cómo sea el flujo del aire que circule y su relación con la superficie de intercambio - 𝜂 factor de utilización, que depende de la inercia térmica En principio, existen diferentes características en esta vivienda que pueden relacionarse con cada uno de los términos de la ecuación. En cuanto al factor de utilización, se sabe que los elementos masivos de la vivienda como son los muros actúan como acumuladores de la energía durante la noche y liberan esta energía durante el día. En lo relativo a la eficiencia de intercambio, se debe considerar que, al circular el aire por la habitación durante la noche, por lo tanto, con una temperatura más baja respecto a la de las paredes, y gracias al mecanismo de transmisión de calor por convección, las paredes se enfrían. Según sea el recorrido de este aire, así será la eficiencia. Por otra parte, el 𝐴𝐶𝐻𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒 está condicionado al caudal de aire que pase por los huecos de la vivienda y la velocidad del viento. Una noche en la que no corra el viento, es decir, que la velocidad de este sea muy baja, la reducción de la demanda se verá afectada sobremanera, al igual que si la vivienda cuenta con huecos demasiado estrechos en comparación con los metros de fachada con los que cuentan. Por último, se hace especial énfasis en el valor de los 𝐺𝐻𝑛𝑜𝑐ℎ𝑒. La obtención de unas temperaturas más bajas en el interior de la vivienda está promovida por el hecho de que el aire proveniente del exterior debe ser más frío que la temperatura del aire que la habitación ha acumulado durante el día y, por lo tanto, la diferencia entre la temperatura exterior y la interior será negativa. De ahí que el término completo sea considerado como una reducción de la demanda. Puesto que en los experimentos descritos anteriormente se medirá temperatura, cada vez que se observe una reducción en la temperatura de los espacios motivada por la ventilación nocturna, esto supondrá inequívocamente una reducción en la demanda de energía. De aquí en adelante, cada vez que se haga mención a la reducción de las temperaturas motivada por la ventilación nocturna, se supone una reducción en la demanda de refrigeración y, por tanto, de energía. El interés del estudio de la ventilación nocturna en este tipo de construcciones radica en la presencia del patio. Este elemento arquitectónico hace que las corrientes de aire estén a merced de la diferencia de presiones que se origina entre calle y patio, por lo que conduce el flujo de aire de manera característica al resto de construcciones que no cuentan con la presencia de un patio interior. Descripción del entorno de trabajo y experimentación 38 Para caracterizar el flujo de aire, además de estudios aerodinámicos que se han llevado a cabo y que se adjuntan en el ANEXO C. MODELO FLUIDODINÁMICO DE LA VENTILACIÓN se ha llevado a cabo un experimento que consiste en la instalación de unos alambres en las puertas de las habitaciones en las que se realiza el anterior experimento de ventilación nocturna. En estos alambres, se han colocado una serie de hilos de costura, que permiten observar el sentido de la corriente de aire una vez están abiertas las ventanas. En la Ilustración 31, se muestra el experimento que se llevó a cabo en la noche del 15 de agosto. Esto permite conocer la dirección del flujo de aire que atraviesa la habitación. Los movimientos de aire se pueden diferenciar entre movimientos debido a las fuerzas de flotabilidad, es decir, caracterizados por la convección libre y generados por diferencia de temperaturas y movimientos debido a una velocidad de aire alta, es decir, viento del aire exterior, caracterizado por la convección forzada. El movimiento de los hilos a distintas alturas permiten distinguir entre uno y otro. Si todos los hilos se mueven en un mismo sentido, significa que predomina la convección forzada provocada por el viento. Si por el contrario, los hilos de menor altura se mueven en sentido contrario a los de mayor altura, el movimiento se debe a la diferencia de densidad en el aire, es decir, predomina la convección libre. Durante los experimentos se identificó un problema que dificultó la caracterización del flujo de aire. El movimiento de los hilos se veía condicionado por el efecto túnel que se producía en la calle Ancha con el paso de los vehículos. 2.1.4 Datos climáticos coincidentes Para contrastar los datos que se han ido obteniendo durante la experimentación, se ha recurrido a la información de las Estaciones Meteorológicas del Sistema de Información Agroclimática para el Regadío del Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación del Gobierno de España. Concretamente, se ha recurrido a los datos de la Estación de Écija (en adelante SIAR), situada a 7,6 km de la vivienda y una altitud de 106 msnm, con coordenadas 37º 35' 34'' N, 05º 04' 37'' O. Los datos recogidos por SIAR entre el período en el que se llevaron a cabo los experimentos en la vivienda, constatan que las temperaturas se mantuvieron entre los 45,1 ºC el día 11 de agosto de 2023 y los 14 º C el día 28 de agosto de 2023, concibiéndose estos como el día más caluroso y la noche más fría durante el período experimental en la ciudad de Écija. También se hace uso de estos datos para el apartado siguiente. Ilustración 31: Instalación de alambre e hilos para experimento sentido de la corriente de aire 3 ANÁLISIS CUALITATIVO N este capítulo se analizan los resultados de la campaña de monitorización que se ha descrito en el capítulo 2 de forma cualitativa, mostrando con gráficos el comportamiento térmico de las habitaciones en estudio. Con el objetivo de evitar repeticiones, en el presente capítulo se muestran los resultados de algunos de los espacios, mostrándose el total de los análisis en el ANEXO B. ANÁLISIS CUALITATIVO ZONAS EXTRA. 3.1 Resultados de la campaña de monitorización A continuación, se procede a analizar la temperatura medida de cada una de las estancias o zonas de más relevancia entre las que se han instalado los sensores, comparando las temperaturas exteriores e interiores y poniendo más énfasis en los días en los que se ha producido ventilación nocturna. 3.1.1 Primera planta. Oficina exterior (Sensor 2) En este caso, las medidas se recogen desde el 26 de julio a las 20:10 h hasta el 1 de octubre a las 17:10 h. Según la Figura 3, la temperatura exterior a nivel de la calle alcanza máximas y mínimas más altas que las que se registran en la Estación Meteorológica situada en la azotea. Esto viene motivado en cuanto a que condiciones como el paso de vehículos o la ausencia de zonas verdes, aumentan la temperatura del entorno. Figura 3: Temperatura a nivel de calle medida en la oficina y temperatura exterior 10 15 20 25 30 35 40 45 50 26-jul. 28-jul. 30-jul. 1-ago. 3-ago. 4-ago. 6-ago. 8-ago. 10-ago. 12-ago. 13-ago. 15-ago. 17-ago. 19-ago. 21-ago. 23-ago. 24-ago. 26-ago. 28-ago. 30-ago. 1-sep. 2-sep. 4-sep. 6-sep. 8-sep. 10-sep. 11-sep. 13-sep. 15-sep. 17-sep. 19-sep. 21-sep. 22-sep. 24-sep. 26-sep. 28-sep. 30-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Oficina exterior T CALLE T EXT E “Yet, the courtyard is more than just an architectural device for obtaining privacy and protection. It is, like the dome, part of a microcosm that parallels the order of the universe itself.” Hassan Fathy (1986) 41 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 3.1.2 Primera planta. Oficina interior (Sensor 3) En este caso, las medidas se recogen desde el 2 de julio a las 17:20 h hasta el 1 de octubre a las 17:10 h. Las máximas y mínimas interiores varían en un rango de un grado, siempre siguiendo la tendencia marcada por las excitaciones exteriores, como se puede ver en la Figura 4. Esto se puede apreciar durante el último mes en el que la temperatura exterior es mucho más baja y así es como reacciona la habitación. Es esta habitación en la que se observa una mayor cercanía entre máximas y mínimas interiores de todas las estudiadas. La discusión se hará en el apartado 3.2. Figura 4: Temperatura interior medida en el interior de la oficina y temperatura exterior 3.1.3 Primera planta. Entrada patio (Sensor 4) En este caso, las medidas se recogen desde el 2 de julio a las 17:20 h hasta el 1 de octubre a las 17:10 h. Como se puede observar en la Figura 5, el rango de temperaturas varía en torno a los 5 ºC de media entre máximas y mínimas. Hay que tener en cuenta que este es un sensor que se encuentra en el exterior, aunque esté protegido por el soportal del patio. Es una gran diferencia si se compara con el sensor 2, oficina exterior, que está en el mismo plano, aunque localizado fuera de la vivienda. Se compararán más en detalle en el apartado 3.2. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2-jul. 5-jul. 7-jul. 10-jul. 12-jul. 15-jul. 17-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 29-jul. 1-ago. 3-ago. 6-ago. 8-ago. 11-ago. 13-ago. 16-ago. 18-ago. 21-ago. 23-ago. 25-ago. 28-ago. 30-ago. 2-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 14-sep. 17-sep. 19-sep. 22-sep. 24-sep. 27-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Oficina interior T EXT T INT Análisis cualitativo 48 • 29 julio – 1 agosto de 2023 Se observa en la Figura 16 como las temperaturas interiores oscilan entre los 28 ºC y los 31 ºC en un período de ocho días, sin demasiadas variaciones bruscas, fruto de la cercanía con la que se realizan las ventilaciones nocturnas, el anterior período terminaba el 25 de julio, que preserva esa temperatura más fresca. Como ocurría en la Figura 15, durante la primera noche, el edificio rehúsa a acercarse a la temperatura exterior dada la inercia de este. 3.2 Discusión de los resultados A continuación, se mostrarán las comparaciones de algunos casos que se han considerado de especial interés. 3.2.1 Comparación oficina interior con otras habitaciones En la Figura 17 se compara la oficina con otras habitaciones de estudio en las que no se ha hecho el experimento de ventilación nocturna. Figura 16: Período 27 de julio – 3 de agosto en habitación fachada 10 20 30 40 50 27-jul. 28-jul. 29-jul. 30-jul. 31-jul. 1-ago. 2-ago. 3-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Hab. fachada 27 julio -3 agosto T EXT T INT T INT APERTURA 49 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio Figura 17: Comparación oficina interior con otras habitaciones Como se puede observar, la temperatura de la oficina, en rojo, es la que se muestra más invariable durante el día, es decir, la diferencia entre las mínimas y las máximas diarias es muy poco notable, tan solo alrededor de 0,5 ºC. Esto se debe a las condiciones de operación de esta habitación, ya que permanece a oscuras todo el tiempo y no suele estar habitada ni entrar personas, por lo que no se generan corrientes de aire que puedan alterar esta temperatura. Sin embargo, en la habitación que se encuentra en el mismo plano y a escasos metros de la oficina, la dicha habitación de la planta primera (en la ilustración, en morado), se observa una diferencia entre las máximas y mínimas más abrupta, así como en general, unas temperaturas mínimas alrededor de 2 ºC más bajas. Por otra parte, también se puede observar como las temperaturas en las habitaciones situadas en la segunda planta (en azul y verde) son, sin lugar a duda, más altas y además reaccionan más bruscamente a los cambios en las condiciones exteriores. Ambas circunstancias son consecuencia de que estas habitaciones tengan unas condiciones de contorno más desfavorables. Por una parte, tienen la cubierta caracterizada por una baja inercia y expuesta directamente a la radiación directa del sol y, por otra parte, la proximidad de estas habitaciones con el patio que, en la segunda planta, alcanza unas temperaturas mucho más altas. Este último detalle se explicará mejor en la siguiente comparación. Las dos habitaciones de la planta segunda presentan unas demandas energéticas en régimen de refrigeración mucho más elevadas que las habitaciones de la planta de abajo. 3.2.2 Comparación entrada patio con ventana A continuación, se muestra en la Figura 18, la comparación de las medidas recogidas por los dos sensores que están situados en el patio. 20 22 24 26 28 30 32 34 36 2-jul. 5-jul. 7-jul. 10-jul. 12-jul. 15-jul. 17-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 29-jul. 1-ago. 3-ago. 6-ago. 8-ago. 11-ago. 13-ago. 16-ago. 18-ago. 21-ago. 23-ago. 25-ago. 28-ago. 30-ago. 2-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 14-sep. 17-sep. 19-sep. 22-sep. 24-sep. 27-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Comparación oficina interior HAB PLA SEGUNDA HAB PLA PRIMERA COMEDOR OFI INT Análisis cualitativo 50 Figura 18: Comparación ventana de la planta segunda con entrada patio Como se puede observar en la Figura 18, aunque ambos se encuentran en el entorno del patio, el sensor 6 (ventana) difiere de los datos recogidos por el sensor 4 (entrada patio), puesto que el presente sensor no se encuentra protegido por el soportal, aunque si lo hace por un toldo en las horas de mayor radiación y, además, está instalado en la segunda planta. Además, en el ANEXO C. MODELO FLUIDODINÁMICO DE LA VENTILACIÓN, se incluye el estudio de los vórtices de aire existentes en el patio y como el que se sitúa en la zona superior del patio impide el paso de aire caliente de la calle al interior de la vivienda. Gracias a los experimentos y estudios realizados, se puede constatar la diferencia a nivel confort térmico que existe entre ubicarse en la primera o en la segunda planta de la casa. Por ello, se puede comprender la decisión de utilizar en verano la planta baja y viceversa durante el invierno. Este hecho, no se da tan solo en esta vivienda, si no que se recoge también en el PGOU del Excelentísimo Ayuntamiento de Écija “Las viviendas tradicionales del casco antiguo tienen una doble vivienda: la de invierno, en la planta superior, y la de verano, en la planta inferior, más fresca, por la inercia térmica de sus muros de tapial y la ventilación del patio.” (Excelentísimo Ayuntamiento de Écija, 2009). 10 15 20 25 30 35 40 45 2-jul. 5-jul. 7-jul. 10-jul. 12-jul. 15-jul. 17-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 29-jul. 1-ago. 3-ago. 6-ago. 8-ago. 11-ago. 13-ago. 16-ago. 18-ago. 21-ago. 23-ago. 25-ago. 28-ago. 30-ago. 2-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 14-sep. 17-sep. 19-sep. 22-sep. 24-sep. 27-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones (h) VENTANA PLA SEGUNDA VS ENTRADA PATIO VENTANA PLA SEGUNDA ENTRADA PATIO 51 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 3.2.3 Comparación habitación fachada con salón En la Figura 19 se muestran los datos recogidos por los sensores situados en las estancias en las que se ha realizado el experimento de ventilación nocturna. En ambas dependencias se realiza durante los meses de julio y agosto, antes de la línea divisoria, los experimentos de ventilación nocturna y en la Figura 19, se puede observar como las temperaturas que se registran en la habitación son, en general, más bajas que las que se registran en el salón. Esto implica que, frente a un caudal de ventilación parecido, puesto que las ventanas son similares, a mayor superficie de contacto del aire con las paredes, como es el caso del salón, la posibilidad de alcanzar temperaturas más bajas gracias a la ventilación nocturna se reduce. Se recoge también en el ANEXO C. MODELO FLUIDODINÁMICO DE LA VENTILACIÓN el contour de temperaturas de ambas estancias para cuando se produce ventilación nocturna, con temperaturas más bajas en la habitación respecto al salón. Además, los casos en los que en el salón se registran temperaturas más bajas que en la habitación, están seguidas de bajadas de temperaturas aún más notables en la habitación y eso puede estar debido a que existe una mayor masa de los elementos que constituyen el espacio respecto al espacio habitable, por lo que tiene más inercia, responde más lentamente a los cambios. Esto se ha puesto de manifiesto en las Figura 14 y Figura 15, mientras que, en los períodos análogos en el salón, representados en las Figura 9 y Figura 10, no se ponía. A partir del mes de septiembre, no se vuelven a hacer los experimentos de ventilación y las temperaturas de ambos espacios se muestran más parecidas, aunque las temperaturas registradas en la habitación se mantienen en un rango mucho más restringido, presentando una mayor amortiguación gracias a las características enumeradas en el párrafo anterior, respecto de las temperaturas en el salón. Figura 19: Comparación habitación fachada con salón 22 24 26 28 30 32 34 36 2-jul. 5-jul. 7-jul. 10-jul. 12-jul. 15-jul. 17-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 29-jul. 1-ago. 3-ago. 6-ago. 8-ago. 11-ago. 13-ago. 16-ago. 18-ago. 21-ago. 23-ago. 25-ago. 28-ago. 30-ago. 2-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 14-sep. 17-sep. 19-sep. 22-sep. 24-sep. 27-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Comparación habitación fachada y salón SALÓN HAB FACHADA 4 ANÁLISIS CUANTITATIVO ara poder comprobar algunas hipótesis, se utiliza HULC, donde se modela parte del edificio. HULC es un programa que utiliza el estado transitorio, junto con un escalón temporal de una hora para sus simulaciones y ha pasado las condiciones de aceptación de procedimientos alternativos a LIDER y CALENER (IDAE, 2009). Además, utiliza los archivos oficiales proporcionados por el Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico (IDAE, 2009). El objetivo es obtener con esta herramienta un modelo con el que poder establecer diferentes condiciones de operación a aquellas que se han establecido en la experimentación y obtener la comprobación de las hipótesis que se barajan acerca de la efectividad de la técnica de la ventilación nocturna. Las partes que se han modelado son las conocidas como “oficina” y “habitación fachada”. Esta última es una de las estancias en la que se ha producido la ventilación nocturna. Ambas estancias son correlativas, compartiendo el forjado como techo o suelo respectivamente. Para poder realizar esta simulación, es necesario en primer lugar introducir los materiales y elementos con los que está hecho el edificio y, en segundo lugar, realizar la descripción geométrica de los espacios a modelar. Los detalles de la simulación se pueden encontrar en el ANEXO D. ENTORNO DE SIMULACIÓN. En este capítulo se tratarán los resultados tras implementar los cambios comentados en dicho anexo. 4.1 Validación de las características y condiciones operacionales La importancia de la validación de los resultados de las simulaciones reside en la necesidad de obtener un modelo con el que poder establecer diferentes condiciones operacionales para un edificio del que se desconoce la construcción exacta, como es el caso que ocupa. Se utilizan los datos recogidos durante la campaña de monitorización para construir este modelo alterando distintos parámetros hasta obtener magnitudes, en este caso, la temperatura, que sean parecidas tanto en la realidad como en la simulación. 4.1.1 Períodos de validación sin ventilación Los resultados que se mostrarán a continuación han sido obtenidos para unas condiciones con infiltraciones nulas; absortividad de la cubierta igual a 0,6; construcción igual al caso inicial y con un peso del mobiliario equivalente a 500 kg/ m2 para la oficina y a 1000 kg/m2 para la habitación. En la Figura 20 se muestra el caso para la oficina durante el primer período del 4 al 11 de agosto. P 53 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio Figura 20: Validación sin ventilación agosto oficina La mayor de las diferencias que se observaba entre los resultados de la anterior simulación y los datos medidos, que era un rango entre temperaturas máximas y mínimas mayor de 5°C para las temperaturas obtenidas en HULC, ya no se observa en absoluto. El rango entre las máximas y mínimas diarias se consolida alrededor de 1ºC. Se muestra en la Figura 21 el mismo período de validación para la habitación de la segunda planta. Figura 21: Validación sin ventilación agosto habitación Lo que más preocupaba en el caso de la habitación en la anterior simulación eran las elevadas temperaturas máximas diarias, mucho más acentuadas que las mínimas. Para evitar esta situación se decidió optar por una absortividad más baja en la cubierta, estableciéndose en 0,6. En la Figura 21, se puede comprobar como el objetivo se ha cumplido puesto que ya no existen esas máximas tan elevadas. Además, como ocurría en el caso de la oficina, el cambio en la inercia de la vivienda permite que en el interior de esta se amortigüen los cambios de temperatura que se deben a las excitaciones exteriores. Después del éxito de los cambios durante el primer período de validación, en la Figura 22 se muestran los resultados de la oficina para el segundo período desde el 7 al 16 de agosto. 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4-ago. 4-ago. 4-ago. 4-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. Temperatura (ºC) Período de validación Validación sin ventilación agosto oficina TEMP MEDIDA TEMP HULC 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4-ago. 4-ago. 4-ago. 4-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. Temperatura (ºC) Período de validación Validación sin ventilación agosto habitación TEMP MEDIDA TEMP HULC Análisis cuantitativo 54 Figura 22: Validación sin ventilación septiembre oficina Para este período también parece ocurrir que los cambios en la inercia, introducidos por medio del mobiliario, hayan incurrido en una mejor aproximación a los datos medidos. Se muestran también los resultados para la habitación de la segunda planta en la Figura 23. Figura 23: Validación sin ventilación septiembre habitación La aproximación en esta última figura es menos exacta a la realidad, pero en comparación con los resultados obtenidos tras la primera simulación, la diferencia es notoria. Cabe destacar el hecho de que HULC entrega los resultados con cuatro cifras significativas, mientras que el sensor Omega tiene una resolución de 0,5 °C. Esta condición convierte la tarea de aproximar ambas temperaturas, medidas y simuladas, aún más complicada. En el caso de la oficina, al haberse utilizado el sensor Elitech, con una resolución de 0,1 ºC, se facilita el hecho de que ambas temperaturas casen. Sin embargo, para poder validar el comportamiento de la vivienda con los resultados que se han obtenido es suficiente, ya que recogen aspectos tales como la inercia y con ella la amortiguación de la excitación exterior, aspecto clave en la descripción de la vivienda. Además, las temperaturas se encuentran siempre cerca de los 28 ºC. 22 24 26 28 30 32 34 36 38 7-sep. 7-sep. 7-sep. 8-sep. 8-sep. 8-sep. 9-sep. 9-sep. 9-sep. 10-sep. 10-sep. 10-sep. 11-sep. 11-sep. 11-sep. 12-sep. 12-sep. 12-sep. 13-sep. 13-sep. 13-sep. 14-sep. 14-sep. 14-sep. 15-sep. 15-sep. 15-sep. 16-sep. 16-sep. 16-sep. Temperatura (ºC) Período de validación Validación sin ventilación septiembre oficina TEMP MEDIDA TEMP HULC 22 24 26 28 30 32 34 36 38 7-sep. 7-sep. 7-sep. 8-sep. 8-sep. 8-sep. 9-sep. 9-sep. 9-sep. 10-sep. 10-sep. 10-sep. 11-sep. 11-sep. 11-sep. 12-sep. 12-sep. 12-sep. 13-sep. 13-sep. 13-sep. 14-sep. 14-sep. 14-sep. 15-sep. 15-sep. 15-sep. 16-sep. 16-sep. 16-sep. Temperatura (ºC) Período de validación Validación sin ventilación septiembre habitación TEMP MEDIDA TEMP HULC 55 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 4.1.2 Período de validación con ventilación Una vez confirmada la validación para los períodos sin ventilación, se procede con la validación de los períodos con ventilación. Para ello, es fundamental el conocimiento del caudal de aire que entra por la ventana cuando se procede con la ventilación nocturna. Esta tarea es bien difícil por distintas razones. La primera de ellas es que durante los días en los que se realiza la validación no se tienen datos de velocidad del viento in situ, ya que el anemómetro fue instalado más tarde. La velocidad del viento que se extrapola a partir de los datos medidos durante agosto y de los datos de SIAR permite trabajar con un rango de valores que se introducirán en HULC hasta encontrar cuál es el caudal con el que se consigue un comportamiento de la vivienda más próximo a la realidad. La segunda es que HULC no permite la inclusión de una ventilación para cada uno de los días del año, por lo tanto, hay que escoger un caudal que funcione para la mayoría de los días y que no comprometa demasiado al resto. En primer lugar, se realizaron las simulaciones con un caudal de 12 ren/h y, más tarde, con un caudal de 14 ren/h, para el cual el comportamiento del edificio en la simulación se aproximaba bastante al observado durante la campaña de monitorización. En la Figura 24 se muestra la validación entre el 22 y el 25 de julio para un valor del caudal de ventilación de 14 ren/h. Figura 24: Validación con ventilación Como se puede observar, el valor de 14 ren/h permite que tanto la temperatura tomada durante la campaña de monitorización y la obtenida tras la simulación se asemejen bastante. 4.2 Eficiencia de la ventilación Tras obtener la validación de las características que modelan el edificio, el resultado es un modelo que permite probar cual sea condición de operación. La condición operacional estrella es la ventilación nocturna. Esta técnica es ampliamente utilizada en los hogares andaluces durante la temporada estival y a partir del modelado de esta vivienda, que además cuenta con patio, se puede demostrar de forma técnica la efectividad de la técnica que ha ido pasando de generación en generación, pasando a formar parte de la cultura e idiosincrasia del lugar. El período de tiempo que se ha elegido para mostrar la influencia de la ventilación sobre la temperatura es desde el 20 de julio al 9 de agosto, aunque bien se podrían haber elegido otros días, ya que, gracias a la validación de la simulación, cualquier día se hubiese podido elegir. 22 24 26 28 30 32 34 36 38 22-jul. 22-jul. 22-jul. 22-jul. 22-jul. 22-jul. 22-jul. 22-jul. 23-jul. 23-jul. 23-jul. 23-jul. 23-jul. 23-jul. 23-jul. 23-jul. 24-jul. 24-jul. 24-jul. 24-jul. 24-jul. 24-jul. 24-jul. 24-jul. 25-jul. 25-jul. 25-jul. 25-jul. 25-jul. 25-jul. 25-jul. 25-jul. Temperatura (ºC) Período de validación Validación con ventilación TEMP MEDIDA TEMP HULC Análisis cuantitativo 56 Figura 25: Comparación influencia de la ventilación En la Figura 25, se muestra el período en el que se realiza ventilación nocturna, a partir del 20 de julio, y, además, se muestran los tres días precedentes a la apertura de las ventanas cuyas temperaturas están forzadas a las obtenidas durante la monitorización. Se han representado las dos casuísticas, es decir, la situación en la que no se procede con la ventilación nocturna, en color naranja y la situación en la que si ocurre. Se muestra también la Figura 26, que añade la temperatura exterior, para poder conocer cuál ha sido la relación entre las variables. Figura 26: Comparación influencia de la ventilación y temperatura exterior Para la situación en la que no se abren las ventanas y puertas que conectan con el patio, la temperatura de la habitación no se ve tan afectada por las excitaciones exteriores, puesto que la diferencia entre máximas y mínimas diarias ronda el grado. Por ejemplo, se muestra como durante el 4 de agosto se produjo una bajada de temperaturas significativa, pero el comportamiento de la estancia se aprecia parejo al de días anteriores. De media, la temperatura para el período está en torno a los 33 ºC, siendo la inercia del edificio la que permite esta regularidad en las temperaturas como se ha comentado anteriormente. Una situación muy diferente es la que se observa en el caso para el que se abren las ventanas, puesto que las temperaturas interiores responden a las excitaciones del exterior, ya que se expone a este cuando se abren las ventanas. Es muy importante saber cuál es el período en el que exponer la estancia y la vivienda a las condiciones 24 26 28 30 32 34 36 17-jul. 17-jul. 18-jul. 19-jul. 19-jul. 20-jul. 21-jul. 21-jul. 22-jul. 23-jul. 24-jul. 24-jul. 25-jul. 26-jul. 26-jul. 27-jul. 28-jul. 29-jul. 29-jul. 30-jul. 31-jul. 31-jul. 1-ago. 2-ago. 3-ago. 3-ago. 4-ago. 5-ago. 5-ago. 6-ago. 7-ago. 7-ago. 8-ago. 9-ago. Temperatura (ºC) Período de validación Comparación de la influencia de la ventilación SIN VENTILACIÓN CON VENTILACIÓN 15 20 25 30 35 40 45 17-jul. 17-jul. 18-jul. 19-jul. 19-jul. 20-jul. 21-jul. 21-jul. 22-jul. 23-jul. 24-jul. 24-jul. 25-jul. 26-jul. 26-jul. 27-jul. 28-jul. 29-jul. 29-jul. 30-jul. 31-jul. 31-jul. 1-ago. 2-ago. 3-ago. 3-ago. 4-ago. 5-ago. 5-ago. 6-ago. 7-ago. 7-ago. 8-ago. 9-ago. Temperatura (ºC) Período de validación Comparación de la influencia de la ventilación y temperatura exterior TEMP EXTERIOR SIN VENTILACIÓN CON VENTILACIÓN 57 Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio exteriores, ya que la intención es abrir las ventanas cuando la temperatura en el exterior sea más baja que en el interior, es decir, cuando las condiciones exteriores sean más favorables que en el interior en el caso del régimen de verano. Ese momento ocurre entre la puesta de sol, sobre las 9 de la noche y unas pocas horas después del amanecer, como máximo a las 10 de la mañana. Los resultados de la aplicación de esta técnica se traducen en una reducción de las temperaturas en el interior de la vivienda. La diferencia más amplia entre ambas situaciones se observa para el día 28 de julio a las 9 h, donde la diferencia de temperatura alcanza los 5,93 ºC. La diferencia más reducida entre una y otra es de al menos 1 ºC y se aprecia durante los primeros días de apertura, en los que la vivienda se rehúsa a cambiar el estado en el que se encontraba cuando las ventanas y puertas no se abrían. En este caso, la inercia de la vivienda reduce los beneficios que supone la inercia térmica, ya que se demora unos seis días hasta que llega a colocarse en la banda de entre los 30 ºC y los 25 ºC, exactamente hasta el día 26 de julio. Sin embargo, la inercia también puede tener efectos positivos cuando se combina con la ventilación nocturna. En la Figura 27 se muestra el mismo período de ventilación en el recuadro rojo y el efecto de esta técnica no solo en los días de apertura, si no en los días siguientes. Gracias a la inercia es que el edificio no vuelve súbitamente al comportamiento cuando no hay ventilación nocturna, si no que no es hasta el 5 de septiembre que las temperaturas se recuperan de este período de ventilación. Figura 27: Comparación influencia de la ventilación extendida Desde el último día de ventilación, el 9 de agosto, hasta el 5 de septiembre, transcurren veintisiete días. Este es un magnífico dato sobre la inercia del edificio. Un período de ventilación nocturna de veinte días tiene un efecto que dura hasta veintisiete días después del último día de ventilación. Esto supone que unos días de ventilación nocturna en conjunto con el efecto de la inercia, pueden proporcionar hasta un 135% más de acondicionamiento de la vivienda y por lo tanto reducción total o parcial de la demanda de refrigeración. Este acondicionamiento se produce gracias a una técnica pasiva de reducción de energía, con lo cual es completamente gratuita y sostenible. Este efecto acumulativo de la inercia ya se pudo observar también en la Figura 14 del apartado 3.1.6. Segunda planta. Habitación fachada (Sensor 10). Además de todo lo comentado acerca de la inercia, otra ventaja de su efecto es que, aunque existan unos días más desfavorables, no sume al edificio en un comportamiento caótico, si no que resiste esas cortas oleadas y amortigua su efecto sobre las estancias de la construcción. Esto se puede observar durante el día 6 de agosto en la Figura 26, en el que se sufrieron unas máximas de hasta 3 ºC por encima del día anterior, alcanzando los 43ºC. Sin embargo, esta excitación no produjo un incremento en la temperatura interior de 3ºC, si no que tan solo hubo una diferencia de 1ºC entre esa noche y la anterior. La inercia permite que el comportamiento térmico del edificio esté sujeto a la tendencia que sigue el clima, en vez de a los eventos puntuales. Aunque hasta ahora se han apreciado los aspectos generales de la ventilación nocturna o su influencia a largo plazo, es menester hacer hincapié en el beneficio que supone, aunque sea para tan solo un día, esta técnica. Se muestra en la Figura 28, las temperaturas para ambas opciones en el día 28 de julio, uno de los días en los que se hizo ventilación nocturna. ANEXO A. PLANOS DE LA VIVIENDA ANEXO B. ANÁLISIS CUALITATIVO ZONAS EXTRA A Primera planta En este apartado se adjuntan las gráficas de las zonas que no se han presentado en la memoria de la planta primera o planta baja. A.1 Primera planta. Zaguán (Sensor 1) En este caso, las medidas se recogen desde el 2 de julio a las 17:20 h hasta el 1 de octubre a las 17:10h. Figura 1: Temperatura interior medida en el zaguán y temperatura exterior Durante el primer mes, la temperatura interior se ve muy poco afectada variando tan solo entre los 27 y 30 ºC, debido a estar posicionado en el suelo. Una vez se cambió la ubicación a la que se indica en el Capítulo 2. Descripción del entorno de trabajo y la experimentación, se observa que el espacio responde de forma más dinámica a las excitaciones exteriores, sin embargo, nunca llega a acercarse a las mínimas o máximas exteriores debido a la oscuridad, los anchos muros y la continuidad con el patio. Se marca con una línea azul el momento en el que se cambia la ubicación. A.2 Primera planta. Habitación (Sensor 5) En este caso, las medidas se recogen desde el 26 de julio a las 20:20 h hasta el 1 de octubre a las 17:10 h. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2-jul. 5-jul. 8-jul. 11-jul. 13-jul. 16-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 30-jul. 2-ago. 4-ago. 7-ago. 10-ago. 13-ago. 15-ago. 18-ago. 21-ago. 24-ago. 27-ago. 29-ago. 1-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 15-sep. 18-sep. 20-sep. 23-sep. 26-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Zaguán T EXT T INT Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 69 Figura 2: Temperatura interior medida en la habitación de la planta baja y temperatura exterior La diferencia entre las máximas y las mínimas está en torno a los 2 ºC, siempre siguiendo la tendencia de las temperaturas exteriores. Constructivamente, esta habitación es idéntica a la oficina, sin embargo, el rango entre máximas y mínimas es algo diferente. Se comparan más en detalle en el apartado 3.2 Discusión de los resultados del documento Memoria. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 26-jul. 28-jul. 30-jul. 1-ago. 3-ago. 5-ago. 8-ago. 10-ago. 12-ago. 14-ago. 16-ago. 18-ago. 20-ago. 22-ago. 24-ago. 26-ago. 28-ago. 30-ago. 1-sep. 3-sep. 5-sep. 7-sep. 9-sep. 11-sep. 13-sep. 15-sep. 17-sep. 19-sep. 21-sep. 23-sep. 25-sep. 27-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Habitación primera planta T EXT T INT Anexo B. Análisis cualitativo zonas extra 70 B Segunda planta En este apartado se adjuntan las gráficas de las zonas que no se han presentado en la memoria de la planta segunda o planta alta. B.1 Segunda planta. Comedor (Sensor 7) En este caso, las medidas se recogen desde el 2 de julio a las 17:20 h hasta el 1 de octubre a las 17:10h. Figura 3: Temperatura interior medida en el comedor y temperatura exterior Esta habitación experimenta unas diferencias entre temperaturas máximas y mínimas 1.5 ºC de media. Lo más llamativo de esta habitación frente a las estudiadas en la primera planta se comparará con mayor detalle en 3.2 Discusión de los resultados del documento Memoria. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2-jul. 5-jul. 8-jul. 11-jul. 13-jul. 16-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 30-jul. 2-ago. 4-ago. 7-ago. 10-ago. 13-ago. 15-ago. 18-ago. 21-ago. 24-ago. 27-ago. 29-ago. 1-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 15-sep. 18-sep. 20-sep. 23-sep. 26-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Comedor T EXT T INT Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 71 B.2 Segunda planta. Habitación (Sensor 8) En este caso, las medidas se recogen desde el 2 de julio a las 17:20 h hasta el 1 de octubre a las 17:10h. Figura 4: Temperatura interior medida en la habitación de la planta alta y temperatura exterior Según muestra la Figura 4, las mediciones recogidas son muy parecidas a las recogidas en el caso anterior por el sensor 7, comedor, puesto que se encuentran en estancias simétricas. B.3 Segunda planta. Salón (Sensor 9) A continuación, se muestran todos los períodos de ventilación nocturna en el salón que no se han mostrado en el Capítulo 3. Análisis Cualitativo de la memoria del trabajo. • 12 al 14 y 15 al 17 de agosto de 2023 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2-jul. 5-jul. 8-jul. 11-jul. 13-jul. 16-jul. 19-jul. 22-jul. 24-jul. 27-jul. 30-jul. 2-ago. 4-ago. 7-ago. 10-ago. 13-ago. 15-ago. 18-ago. 21-ago. 24-ago. 27-ago. 29-ago. 1-sep. 4-sep. 7-sep. 9-sep. 12-sep. 15-sep. 18-sep. 20-sep. 23-sep. 26-sep. 29-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Habitación segunda planta T EXT T INT 10 15 20 25 30 35 40 45 50 9-ago. 10-ago. 11-ago. 12-ago. 13-ago. 14-ago. 15-ago. 16-ago. 17-ago. 18-ago. 19-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Salón 10 - 19 agosto (apertura 12 -14 y 15-17) T EXT T INT T INT APERTURA Figura 5: Período del 10 – 19 de agosto para salón Anexo B. Análisis cualitativo zonas extra 72 • 20 al 24 de agosto de 2023 • 26 al 28 de agosto de 2023 B.4 Segunda planta. Habitación fachada (Sensor 10) A continuación, se muestran todos los períodos de ventilación nocturna en el salón que no se han mostrado en el Capítulo 3. Análisis Cualitativo de la memoria del trabajo. Figura 6: Período del 18 - 26 de agosto para salón Figura 7: Período del 24 -30 de agosto para salón 10 15 20 25 30 35 40 45 50 18-ago. 19-ago. 20-ago. 21-ago. 22-ago. 23-ago. 24-ago. 25-ago. 26-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Salón 18 - 26 agosto T EXT T INT T INT APERTURA 10 15 20 25 30 35 40 45 50 24-ago. 25-ago. 26-ago. 27-ago. 28-ago. 29-ago. 30-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Salón 24 - 30 agosto T EXT T INT T INT APERTURA Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 73 • 12 al 14 y 15 al 17 de agosto de 2023 • 20 al 24 de agosto de 2023 Figura 9: Período 18-26 de agosto en habitación fachada Figura 8: Período 10-19 de agosto en habitación fachada 10 15 20 25 30 35 40 45 50 9-ago. 10-ago. 11-ago. 12-ago. 13-ago. 14-ago. 15-ago. 16-ago. 17-ago. 18-ago. 19-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Hab. fachada 10 -19 agosto T EXT T INT T INT APERTURA 10 15 20 25 30 35 40 45 50 18-ago. 19-ago. 20-ago. 21-ago. 22-ago. 23-ago. 24-ago. 25-ago. 26-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Hab. fachada 18 -26 agosto T EXT T INT T INT APERTURA Anexo C. Modelo fluidodinámico de la ventilación 80 • Velocidad de 1,04 m/s En general, para el caso nocturno, se pueden observar unas circunstancias muy parecidas al caso diurno, ya que la velocidad no cambia sobremanera. A continuación, se presentan las leyes del fluido en la Figura 5. También se presenta el caso para el contour en la Figura 6. Los respectivos coeficientes de presión se pueden consultar en la Figura 7, que son parecidos en a los presentados para el caso diurno, pero lo más importante es que reflejan también que el aire viaja desde el patio hacia la calle. Figura 4: Coeficientes de presión sin perturbación de día Figura 5: Leyes del fluido sin perturbación de noche Figura 6: Contour de presión estática sin perturbación de noche Figura 7: Coeficientes de presión sin perturbación de noche Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 81 • Velocidad de 4 m/s Se recurre a esta velocidad para poder tener certeza de que los estudios se están haciendo de manera correcta y que efectivamente, los coeficientes de presión no cambian dependiendo de la velocidad del fluido, ya que, entre la noche y el día, el valor estadístico medio de la velocidad no es muy diferente. En la se muestran las leyes del fluido para este caso. También se estudia la presión estática en la Figura 9 para poder finalmente establecer cuáles son los coeficientes de presión. Los coeficientes de presión son para este caso los que se muestran en la Figura 10. Por último, se comparan los coeficientes de presión en las diferentes zonas en la Tabla 1. 1,12 m/s 1,04 m/s 4 m/s Barlovento superior -0,222 -0,222 -0,222 Barlovento inferior -0,212 -0,212 -0,212 Sotavento superior -0,283 -0,282 -0,283 Sotavento inferior -0,246 -0,245 -0,246 Tabla 1: Comparación de coeficientes de presión según la velocidad, caso sin perturbación Todos los coeficientes que se presentan son iguales o muy parecidos, variando tan solo en una milésima que deriva del arrastre de decimales en el cálculo. Finalmente, se puede asegurar cuáles son las zonas a barlovento y cuáles las que están a sotavento, por lo tanto, la dirección en la que circula el aire al entrar a la vivienda. B.2 Aire se ve perturbado por edificios vecinos En este caso, se supone que delante de la casa existe un edificio de tres plantas con el que el viento se encuentra a su paso y no sortea. Al ser de tres plantas, se supone de una altura de 9 m frente a la casa Figura 8: Leyes del fluido sin perturbación a velocidad muy alta Figura 9: Contour de presión estática sin perturbación a velocidad muy alta Figura 10: Coeficientes de presión sin perturbación a velocidad muy alta Anexo C. Modelo fluidodinámico de la ventilación 82 en estudio que se supone alrededor de los 6 m. Causa de este obstáculo, existen perturbaciones en el movimiento del aire que se estudian como en el apartado anterior para las mismas tres velocidades. • Velocidad 1,12 m/s El aire en su recorrido se encuentra con el edificio como obstáculo y se forma una muy pequeña recirculación al impactar con el edificio vecino como se puede observar en la Figura 11. Más tarde se observa la recirculación de aire en la calle, cuyo vórtice ya no se produce en el centro de la calle, si no que está un poco más arriba y hacia la izquierda, cercano a la zona de impacto con la casa. La segunda y tercera recirculación se producen en el patio después del encuentro con el siguiente obstáculo que es la fachada de la casa. Sin embargo, es la que se produce en la parte alta del patio la que altera las condiciones de este, pues no permite el paso de aire caliente procedente de la calle y protege a la planta baja donde se da una muy pequeña recirculación insignificante. También se estudia el contour de presión estática que muestra, en la Figura 12, como la presión cambia de manera sustancial al encontrarse con el obstáculo del edificio de 9 m y ya no se observa que las presiones más altas estén ni en la calle ni en el patio de la vivienda, si no al encontrarse con el obstáculo. Al haber cambiado el patrón de la presión estática, se espera que los coeficientes de presión cambien para esta configuración y se muestran en la Figura 13. Figura 11: Leyes del fluido con perturbación con velocidad de día Figura 12: Contour de presión estática con perturbación de día Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 83 • Velocidad 1,04 m/s Aunque por la leve diferencia que existe entre estas dos velocidades, se suponen fenómenos parecidos, se realiza también para este caso el estudio de las leyes del fluido que se puede ver en la Figura 14. De igual modo, se realiza el estudio de la presión estática mostrado en la Figura 15. Ambos contour son muy parecidos y más tarde se compararán los coeficientes de presión de ambas opciones. Los coeficientes de la noche se presentan en la Figura 16. Figura 13: Coeficientes de presión con perturbación de día Figura 14: Leyes del fluido con perturbación de noche Figura 15: Contour de la presión estática con perturbación de noche Anexo C. Modelo fluidodinámico de la ventilación 84 • Velocidad 4 m/s Se puede reconocer en la Figura 17 un mismo patrón de flujo que para las anteriores velocidades, pero teniendo en cuenta que las recirculaciones llegan un poco más abajo tanto del patio como de la calle. Además, al ser la recirculación de mayor tamaño, en el exterior de este se perciben flujos más altos en azul celeste. A continuación, se muestran los resultados del contour de la presión estática en la Figura 18 en los que se reflejan como la presión estática se comporta de forma parecida al ser más alta en el primer impacto con el edificio vecino. Los coeficientes de presión para esta velocidad son los que se muestran en la Figura 19. Figura 16: Coeficientes de presión con perturbación de noche Figura 17: Leyes del fluido con perturbación a velocidad muy alta Figura 18: Contour de la presión estática con perturbación a velocidad muy alta Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 85 Por último, se muestran en la Tabla 2 los coeficientes de presión para las diferentes velocidades cuando existe un edificio que perturba el paso del aire hacia el patio de la casa en estudio. Tabla 2: Comparación de los coeficientes de presión según la velocidad, caso con perturbación Los coeficientes de presión son muy parecidos entre sí, variando algunos en la milésima por arrastre de decimales en el cálculo, con lo que se puede asegurar la independencia de los coeficientes de presión de la velocidad del viento. Se comprobó también que pese a tener un elemento previo a la entrada de aire en el patio, como es el edificio vecino, las zonas de barlovento y sotavento son las mismas. B.3 Aire se ve perturbado por edificios vecinos y modelización del claustro Los modelos que se han utilizado anteriormente suponen una simplificación de la estructura del patio cuando en realidad este cuenta con un claustro abierto en su planta inferior, aunque está cubierto por parte de las dependencias de la parte de arriba. Para poder conocer mejor cuál es el comportamiento del aire con esta geometría, se realiza un último estudio con la velocidad media estadística de día, es decir, 1,12 m/s, con una geometría más parecida a la de la realidad. Se añade también la perturbación del edificio vecino de tres plantas antes de que el aire entre al patio. A continuación, se muestran las leyes del fluido en la Figura 20. 1,12 m/s 1,04 m/s 4 m/s Barlovento superior -0,436 -0,439 -0,439 Barlovento inferior -0,438 -0,441 -0,441 Sotavento superior -0,560 -0,560 -0,560 Sotavento inferior -0,556 -0,557 -0,557 Figura 19: Coeficientes de presión con perturbación a velocidad muy alta Figura 20: Leyes del fluido con perturbación y con claustro de día Anexo C. Modelo fluidodinámico de la ventilación 86 Se observan comportamientos del fluido diferentes respecto a los otros casos. Por ejemplo, en la zona derecha del claustro no existe apenas recirculación del aire, ya que esta zona tiene una mayor profundidad respecto a la parte izquierda, por lo que nunca el aire procedente de la calle entrará en esta zona de ocupación. La zona izquierda, menos profunda, se ve inmersa en la recirculación de aire del propio patio que ya se mostraba con la anterior geometría, pero que de ningún modo, forma parte de ese vórtice en la parte superior del patio. Además, en este caso que es más próximo a la realidad, se estudia también el caudal de aire que fluye hacia cada zona como se puede observar en la Figura 21. Como en ocasiones anteriores también se hace un estudio de la presión estática, del que se ofrece el contour en la Figura 22. Del estudio de estas presiones estáticas derivan los coeficientes de presiones para esta geometría que se recogen en la Figura 23. En la Tabla 3, se muestran los coeficientes de presión para esta última configuración y para las anteriores configuraciones cuando la velocidad es 1,12 m/s. Figura 21: Caudales de aire en patio Figura 23: Coeficientes de presión con perturbación y claustro de día Figura 22: Contour de la presión estática con perturbación y claustro de día Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 87 Tabla 3: Coeficientes de presión con perturbación y claustro de día El hecho de que el flujo sortee al edificio vecino es lo que más cambia los coeficientes de presión. De ahora en adelante, se trabajará siempre con el caso en el que existe el edificio que causa una perturbación en el movimiento del aire. Por último, para conocer las diferencias de presión que existe entre la entrada y la salida de la zona superior, puesto que es donde se hacen los estudios de ventilación nocturna, se aplica la Ecuación 2. 𝛥𝑃 = 𝛥𝐶𝑝 ∗ 0.5 ∗ 𝜌 ∗ 𝑉𝑖𝑛𝑓2 Ecuación 2: Diferencia de presión obtenida de la ecuación de Bernoulli Para conocer el término 𝛥𝐶𝑝, se aplica la Ecuación 3 que no es más que la diferencia de los coeficientes de presión entre la zona de barlovento y sotavento para la zona superior. ∆𝐶𝑝 =𝐶𝑝𝑏𝑎𝑟𝑙𝑜𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 −𝐶𝑝𝑠𝑜𝑡𝑎𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 Ecuación 3: Diferencia en los coeficientes de presión Se obtiene por una parte la diferencia entre los coeficientes de presión y, por otra parte, la diferencia de presión, ambos, para la planta superior. Sin perturbación Con perturbación Perturbación y claustro Barlovento superior -0,222 -0,436 -0,436 Barlovento inferior -0,212 -0,438 -0,438 Sotavento superior -0,283 -0,560 -0,559 Sotavento inferior -0,246 -0,556 -0,557 𝛥𝐶𝑝𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 = 0,123 ∆𝑃 = 0.123 ∗ 0.5 ∗ 𝜌 ∗ 𝑉𝑖𝑛𝑓2= 0,301 𝑃𝑎 Anexo C. Modelo fluidodinámico de la ventilación 88 C Estudio de ventilación cruzada Una vez conocida la diferencia de presiones entre la salida y la entrada de aire en la planta superior de la casa para el caso en el que se tiene un edificio en frente de alrededor de tres plantas que perturba el movimiento del aire, se estudia también con Ansys Fluent el comportamiento del aire cuando las ventanas están abiertas. Las condiciones que se establecen son que la diferencia de presiones estática es de 0,301 Pa, que la temperatura de entrada del aire es 18 ºC y que la temperatura de los muros es 25 ºC. Los estudios se hacen siempre en dos dimensiones porque el objetivo con ellos es tan solo obtener una imagen a grandes rasgos del comportamiento del aire, junto con unos órdenes de magnitud. Si se quisiese un mayor detalle, se debería establecer la cubierta y el suelo como nuevas superficies de intercambio. En primer lugar, se estudian las líneas de corriente del fluido en su recorrido por las habitaciones de la planta superior. Como se puede observar en la Figura 24 se diferencian las líneas de corrientes que van desde el patio hasta la calle de manera directa y en los contornos de estas corrientes, empiezan a surgir vórtices. Figura 24: Líneas de corriente en ventilación cruzada También se muestran los caudales que componen las corrientes que no entran en recirculación, es decir, las que van desde el patio hasta la calle. Sin embargo, estos caudales no representan la totalidad de aire que entra por la ventana. Para encontrar el caudal total que entra por la ventana, se recurre a la Ecuación 4, siendo 𝑚 el caudal; 𝜌 la densidad del aire a nivel del mar y 20 ºC, es decir, 1,2 kg/m3; 𝑎𝑟𝑒𝑎𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛𝑎 el área de las ventanas que dan al patio que es para las pequeñas 0,72 m2 y para la grandes, 1,79 m2 y, por último, 𝑣 es la velocidad, que se toma igual a 2 m/s. 𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑎𝑟𝑒𝑎𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛𝑎 ∗ 𝑣 Ecuación 4: Caudal de aire Se obtiene que el caudal total que entra por la venta es 7,752 kg/s, lo que supone que el caudal que se muestra en la Figura 24 solo representa el 13,93% del total de aire que entra. El resto es lo que se conoce como caudal de bypass, es decir, el caudal que no forma parte de la corriente principal. Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 89 Para conocer la relación entre la velocidad del viento y el caudal de aire que entra a las habitaciones, se procede con el mismo estudio, pero esta vez se simulan varios caudales para conocer la relación que existe entre estas dos magnitudes y más tarde, utilizando Excel, obteniéndo la Figura 25. Figura 25: Relación entre velocidad del viento y caudal de aire en las estancias Tras la obtención de la Figura 25, se indican las ecuaciones lineales que gobiernan el caudal según el comportamiento de la velocidad del viento. En la Ecuación 5 se muestra la del caudal total. 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,54 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑓 − 0,0027 Ecuación 5: Relación lineal velocidad-caudal total Gracias al conocimiento de los caudales que fluyen hacia cada una de las estancias y de la ecuación anterior se obtienen las ecuaciones para cada una de las estancias. En primer lugar, se presenta la de la habitación de la segunda planta como la Ecuación 6. 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,296 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑓 − 0,0039 Ecuación 6: Relación lineal velocidad-caudal habitación En segundo lugar, en la Ecuación 7,se muestra la relación entre la velocidad del viento y el caudal de aire que existe en el salón. 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,2441 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑓 + 0,0013 Ecuación 7: Relación lineal velocidad-caudal salón También se obtiene el contour de la velocidad, que en el estudio anterior no se había utilizado, para mostrar la velocidad. Como se puede observar en la Figura 26, en la corriente principal entre las ventanas, es el punto con la velocidad más alta, mientras que cerca de las paredes, la velocidad es del orden de diez veces menor. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Caudal total (kg/s) Vref (m/s) Caudal total VS velocidad referencia Caudal total Caudal salón Caudal habitación Anexo D. Entorno de simulación 96 están cerradas pues en esta zona no se ha llevado a cabo el experimento de la ventilación nocturna. Por el contrario, para la habitación fachada si que se mostrará el comportamiento cuando no se abren y cuando se abren las ventanas durante la noche. Los períodos elegidos para la validación son, en primer lugar, del 4 al 11 de agosto y del 7 al 16 de septiembre para los períodos sin ventilación y del 22 al 25 de julio para el período de validación con ventilación. En la Figura 1 se muestran los períodos de validación localizados durante el período de mediciones. Figura 1: Períodos de validación Durante la simulación es necesario imponer unos datos meteorológicos que para las capitales de provincias de España se pueden encontrar en la base de datos, pero no en el caso de Écija. Por lo tanto, se procedió a elaborar este archivo meteorológico a partir de los datos de SIAR de los meses de noviembre y diciembre del 2022 y los meses desde enero hasta octubre del año 2023. Además, para poder obtener una simulación más fiel a la realidad, se ha optado por la inclusión de unas zonas contiguas a las habitaciones en estudio en las que se imponen las temperaturas que se han dado durante los días elegidos para la validación. Las zonas son las que se han descrito en el apartado B Condiciones de contorno. Sin la inclusión de estos recintos se tendría que escoger entre o bien, imponer condiciones exteriores en los contornos o bien, hacer adiabáticos los contornos. La geometría de la planta baja se muestra en la Ilustración 4. Ilustración 4: Geometría planta baja en la interfaz de HULC Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 97 De igual forma se muestra en la Ilustración 5 la geometría de la planta superior desde distintos puntos de vista de la interfaz de HULC. Para poder fijar las temperaturas de los recintos, se utiliza la posibilidad que ofrece la HULC de seleccionar cuándo y a qué temperatura los equipos de acondicionamiento funcionan durante el año. Sin embargo, esta opción no puede ejecutarse sin que se determine previamente el edificio como un pequeño o mediano terciario en la pestaña de información general. Por lo tanto, se introdujeron todas y cada una de las temperaturas medidas con un intervalo horario y obtenidas en la campaña de monitorización para las estancias contiguas a la habitación fachada y la oficina durante los días de validación con la respectiva configuración para que los equipos estuviesen funcionando y fijasen las temperaturas deseadas. Otro de los aspectos en los que se ha intervenido es la imposición de temperaturas, pero esta vez en las estancias en estudio durante los tres días precedentes a los períodos de validación, esto quiere decir entre los días 1 a 3 de agosto y 4 a 6 de septiembre para la validación sin ventilación y entre los días 19 a 21 de julio y 23 a 25 de agosto, para cuando hay ventilación. Con esto se consigue que la estancia comience la validación con un estado de excitación más próximo a la realidad, en vez de venir de un estado desconocido que imponga la herramienta por su cuenta. Al establecer las condiciones operacionales también se puede establecer el caudal de ventilación que para el caso de los días de validación es completamente nulo y para los días con ventilación es 14 ren/h. Este último dato se introduce ya que es el caudal de aire con el que se consigue un comportamiento más próximo al recogido en la campaña de monitorización. Además, se pueden establecer otros parámetros como la ocupación, que es nula ya que en la realidad no se encuentran habitadas; la iluminación o los equipos, que se establecen en 0 W/área, ya que ni existen equipos en estas estancias, ni se encienden las luces puesto que no están ocupadas. Con todas estas condiciones impuestas, se procedió a hacer una primera simulación y los resultados que se obtuvieron fueron los que se muestran en la Figura 2 para el caso de la oficina durante el primer período de validación sin ventilación. Ilustración 5: Geometría planta alta en la interfaz de HULC Anexo D. Entorno de simulación 98 Figura 2: Comportamiento real y simulado en la oficina en el primer período sin ventilación También para el primer período, pero en este caso para la habitación fachada, se obtuvieron los resultados mostrados en la Figura 3. Figura 3: Comportamiento real y simulado en la habitación en el primer período sin ventilación En ambas estancias se puede observar como el rango entre temperaturas máximas y mínimas es mayor de 5°C para las obtenidas en HULC y alrededor de 1°C para las experimentales. Además, se puede ver como los máximos y mínimos son aún más pronunciados en el caso de la habitación fachada, presumiblemente por la presencia de la cubierta. De todas formas, se procede también con la simulación para el segundo período sin ventilación. El caso de la oficina es el que se muestra en la Figura 4. 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4-ago. 4-ago. 4-ago. 4-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Oficina agosto sin ventilación T HULC T EXP 22 24 26 28 30 32 34 36 38 4-ago. 4-ago. 4-ago. 4-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 5-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 6-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 7-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 8-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 9-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 10-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. 11-ago. Temperatura (ºC) Período de mediciones Hab. fachada agosto sin ventilación T HULC T EXP Ventilación cruzada como estrategia pasiva: evaluación de su impacto en la energética del edificio 99 Figura 4: Comportamiento real y simulado en la oficina en el segundo período sin ventilación Al igual que para el primer período, también se muestra la situación de la habitación para el segundo período sin ventilación en la habitación fachada, la habitación de la segunda planta, en la Figura 5. Figura 5: Comportamiento real y simulado en la habitación en el segundo período sin ventilación Tanto en la Figura 4, como en la Figura 5 se pueden observar comportamientos parecidos a los ya comentados en el primer período de validación. Dado que no se ha obtenido un comportamiento cercano al de la realidad, no se procederá aún con la validación de los períodos de ventilación puesto que estos introducen más variables y por lo tanto una mayor complejidad. Las hipótesis de por qué no se obtienen resultados próximos a la realidad son, en primer lugar, una errónea determinación de la inercia del edificio y, en segundo lugar, una absortividad elevada en la cubierta, razón de peso para obtener una curva cuyos máximos diarios resultan más evidentes que los puntos en los que están las temperaturas mínimas diarias. Con estas dos hipótesis se proponen los siguientes cambios: - Mejorar la inercia añadiendo mobiliario, ya que ambas estancias cuentan con numerosas piezas de mobiliario masivas realizadas en madera de alta calidad. Se proponen 500 kg/m2 para el caso de la oficina y 1000 kg/m2 en el caso de la habitación. 22 24 26 28 30 32 34 36 38 7-sep. 7-sep. 7-sep. 8-sep. 8-sep. 8-sep. 9-sep. 9-sep. 9-sep. 10-sep. 10-sep. 10-sep. 11-sep. 11-sep. 11-sep. 12-sep. 12-sep. 12-sep. 13-sep. 13-sep. 13-sep. 14-sep. 14-sep. 14-sep. 15-sep. 15-sep. 15-sep. 16-sep. 16-sep. 16-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Oficina septiembre sin ventilación T HULC T EXP 22 24 26 28 30 32 34 36 38 7-sep. 7-sep. 7-sep. 8-sep. 8-sep. 8-sep. 9-sep. 9-sep. 9-sep. 10-sep. 10-sep. 10-sep. 11-sep. 11-sep. 11-sep. 12-sep. 12-sep. 12-sep. 13-sep. 13-sep. 13-sep. 14-sep. 14-sep. 14-sep. 15-sep. 15-sep. 15-sep. 16-sep. 16-sep. 16-sep. Temperatura (ºC) Período de mediciones Hab. fachada septiembre sin ventilación T HULC T EXP Anexo D. Entorno de simulación 100 - Mejorar la inercia aumentando la densidad de los materiales que se han establecido. El hecho de conocer exactamente la construcción de la vivienda permite que exista un pequeño margen de error entre lo que se ha modelado y la realidad. - Disminuir la absortividad de la cubierta para poder reducir las temperaturas máximas. El valor que se utilizó en la primera simulación al seleccionar por defecto el color marrón oscuro puede ser demasiado elevado, ya que la absortividad estaba definida en 0,92, un valor que se utiliza en cubiertas de colores muy próximos a negros, con absortividad cercana a la unidad. Se propone para el nuevo caso un valor de la absortividad de 0,6. Afortunadamente, la implementación del primer y último cambio de los propuestos consiguieron que los datos fruto del comportamiento simulado de la vivienda se pareciesen a los datos obtenidos durante la campaña de monitorización. Por el contrario, el segundo cambio no permitía un acercamiento al comportamiento real, con lo que se confirma que la elección primera de los materiales fue adecuada.