ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO

ENERGÉTICO DE LOS CERRAMIENTOS

DE HORMIGÓN EN BASE A LA

MAXIMIZACIÓN DE LAS VENTAJAS

DERIVADAS DE SU INERCIA TÉRMICA

Universidad de Sevilla (Grupo Termotecnia)

Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA)

Estudio de Arquitectura SAMLER

MEMORIA RESUMEN DEL PROYECTO

27 de Febrero de 2015

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3

© Agencia de Obra Pública de la Junta de Andalucía. Consejería Fomento y Vivienda. Junta de Andalucía.

Director del Proyecto por parte de la Consejería de Fomento y Vivienda: Juan Manuel Garcia Blanco

Gerente del Proyecto por parte de la Agencia de Obras Publicas: Maria Jose Sierra López

EQUIPO INVESTIGADOR

Universidad de Sevilla

Grupo de Termotecnia

Servando Álvarez Domínguez (IP)

Jose Luis Molina Félix

Jose Manuel Salmerón Lissén

Alicia Frades Sanz

Universidad de Cádiz

Grupo de Grupo de Máquinas y Motores Térmicos

Francisco Sanchez de la Flor

Alejandro Rincón Casado

Álvaro Ruíz Pardo

Jose Sanchez Ramos

Estudio de Arquitectura SAMLER

Rafael Salmerón Lissén

Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones (IECA)

César Bartolomé Muñoz

Ricardo López Perona

Arturo Alarcón

Colaboraciones

Universidad de Granada

Julián Arcos Díaz

Universidad de Sevilla

Ángela Barrios Padura

Universidad de Bilbao

Iñaki Gomez Arriarán

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Introducción y antecedentes

De acuerdo a los datos del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de Energía (IDAE), la

edificación representa un 24% del consumo total de la energía del país. Un aparte significativa

de este consumo está asociada a la calefacción y a la refrigeración.

El proyecto que aquí se presenta tiene como objetivo reducir la demanda energética de

calefacción y refrigeración de los edificios potenciando la inercia térmica de un material

tradicional en la construcción como es el hormigón.

La potenciación de la inercia se debe a su capacidad para utilizar de manera óptima las fuentes y

sumideros medioambientales de calor. En las aplicaciones de calefacción la fuente

medioambiental por excelencia es el sol. En las aplicaciones de refrigeración el sumidero

medioambiental de calor tradicional es el aire exterior en las aplicaciones de ventilación

nocturna.

En numerosas zonas climáticas españolas y especialmente en Andalucía se da la paradoja de que

existen muchas localidades en las que la disponibilidad de radiación solar en invierno y de bajas

temperaturas nocturnas en verano es más que suficiente como para compensar respectivamente

las pérdidas del edificio durante el periodo de calefacción y las ganancias del mismo durante el

periodo de refrigeración.

La falta de inercia masa térmica o, mejor dicho la escasa o nula activación de la inercia existente

es la que provoca que los edificios en las localidades citadas presenten unas demandas

energéticas innecesarias de calefacción y refrigeración.

En general el efecto de la inercia térmica en los cerramientos es una variable no considerada

habitualmente en el diseño del edificio. Además de su difícil modelización para proyectistas y

prescriptores, las herramientas de cálculo no han sido sensibles a este parámetro y el

conocimiento de sus potenciales beneficios no ha sido considerado adecuadamente por la

comunidad técnica y científica.

1. Objetivos y alcance.

El objetivo principal del proyecto es parametrizar las variables fundamentales que caracterizan

la inercia térmica de los edificios con vistas a mejorar sustancialmente su tratamiento en los

procedimientos de cálculo del comportamiento térmico de edificios.

La inercia se contempla baja un doble punto de vista:

Soluciones tradicionales basadas en el contorno y la estructura del edificio.

Se han desarrollado en el proyecto modelos y tablas pre normativas que permitirán tratar

adecuadamente los fenómenos de inercia que son tratados incorrectamente en los programas de

simulación, en concreto:

Interacción de la inercia y la radiación solar (que influye tanto en el aprovechamiento de

las ganancias solares gratuitas en invierno como la modulación de la carga solar

indeseable en régimen de refrigeración).

Tratamiento de la inercia en estrategias de ventilación nocturna para preenfriar los

elementos estructurales del edificio y reducir la carga de refrigeración el día siguiente

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Soluciones innovadoras de fachada basadas en cerramientos de doble y triple piel.

Se han diseñado, dimensionado, modelado, construido, experimentado y validado dos tipos de

soluciones originales que tienen como características comunes:

Una hoja interior de hormigón que se constituye en el elemento de almacenamiento

térmico

Una hoja intermedia (modo invierno) o exterior (modo verano) que se encuentra aislada

y que está provista de una batería de ventiladores

La convección forzada que se produce cuando se operan los ventiladores transfiere calor solar

en invierno a la hoja inerte y permite la disipación de calor al aire exterior durante las noches de

verano.

Las variables de diseño en general y en particular las de la hoja inerte (espesor, conductividad

térmica, densidad y calor específico) se eligen de forma que la máxima entrada de calor o la

máxima disipación de calor hacia o desde el edificio se producen en las horas coincidentes con

las cargas punta de calefacción y refrigeración respectivamente.

En las figuras que se muestran a continuación se incluyen los esquemas de las dos soluciones

mencionadas.

Fachada activa SINHOR modo calefacción:

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Fachada activa SINHOR modo refrigeración:

8

2. Plan de trabajo y cronograma

El trabajo se ha dividido en 8 tareas cuyo desarrollo temporal se incluyen a continuación:

Nov Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Ene Feb

T0 Coordinación y gestión técnica del proyecto

T1Desarrollo o adaptación de modelos de referencia específicos para

fenómenos de inercia basados en el contorno y la estructura del edificio

Tarea 1.1Estado del arte de modelos de referencia consistentes con los objetivos del

presente proyecto

Tarea 1.2 Desarrollar modelos de referencia de caracterización para la radiacion solar

Tarea 1.3 Desarrollar modelos de referencia de caracterización para la ventilacion nocturna

T2Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia

basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio

Tarea 2.1

Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia

basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio. GALERIAS

ACRISTALADAS

Tarea 2.2

Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia

basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio. FACHADAS

TERMICAMENTE ACTIVAS

Tarea 2.3

Desarrollo de modelos de referencia específicos para fenómenos de inercia

basados en elementos innovadores de la envolvente del edificio. FORJADOS

TERMICAMENTE ACTIVOS

T3 Validación de modelos previos mediante ensayos

Tarea 3.1 Diseño y montaje de caseta con cerram. de referencia

Tarea 3.2 Ensayos como caseta de referencia

Tarea 3.3 Montaje cerramiento para ensayos de verano

Tarea 3.4 Ensayo en régimen de verano

Tarea 3.5 Ensayo enfriamiento del forjado

Tarea 3.6 Montaje de cerramiento para ensayo de invierno

Tarea 3.7 Ensayo en régimen de invierno

Tarea 3.8 Finalización del ensayo de invierno

T4Desarrollar modelos de caracterización para los fenómenos de inercia

basados en el contorno y la estructura del edificio

Tarea 4.1 Desarrollar modelos de caracterización para la radiacion solar

Tarea 4.2 Desarrollar modelos de caracterización para la ventilacion nocturna

Tarea 4.3

Tablas pre-normativas que sirvan como entrada de datos a software especializados

para el cálculo de la demanda energética teniendo en cuenta la inercia térmica de

los materiales

T5Módulo de cálculo específico para la evaluación de los elementos

innovadores citados en la tarea 2

Tarea 5.1 Estado del arte de modelos consistentes con los objetivos del presente proyecto

Tarea 5.2Integración en un módulo de cálculo que permita evaluar su comportamiento en un

edificio determinado y para unas condiciones climáticas dadas

T6Procedimiento para incluir el módulo de cálculo específico de la tarea 5 en

otras aplicaciones informáticas existentes

T7 Potencial de aplicación de las soluciones propuestas

Tarea 7.1Estudios teóricos y numéricos sobre almacenamiento y restitución de calor de un

componente de la envuelta para las diferentes soluciones

Tarea 7.2Estudios teóricos y numéricos sobre almacenamiento y restitución de calor de

recintos completos

Tarea 7.3

Identificación de las condiciones bajo las cuales las soluciones de hormigón

contempladas permiten cumplir los nuevos requisitos del nuevo código técnico CTE-

HE 2012

Tarea 7.4 Desarrollo del catalogo de soluciones constructivas

T8 Explotación y difusión de los resultados

2013 2014 2015

Grupo de Trabajo

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3. Productos Finales

3.1 Del Paquete de Trabajo T3: Validación de modelos mediante ensayos

Producto Final 4.1.- Protocolo de experimentación incluyendo descripción de sensores,

ubicación control de calidad de las medidas, calibración, secuencia de ensayos e

instrumentación asociada a cada uno de ellos. .

A continuación se incluyen algunas figuras de este documento

10

Producto Final 4.2.- Informe de los experimentos.- que contiene los objetivos de cada

campaña de medida, los resultados y conclusiones obtenidos y finalmente las validaciones

de los modelos teóricos llevadas a

cabo con los datos experimentales recogidos.

A continuación se incluyen algunas figuras de este documento

Del Paquete de Trabajo T4.- Modelos de caracterización para los fenómenos de inercia

basados en el contorno y la estructura del edificio

Este paquete de trabajo proporciona información a dos niveles: global y de detalles. Para

cada nivel se desarrolla un documento que se agrupan en un único producto final.

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Producto Final 2.- Tablas pre-normativas que sirvan como indicación de las condiciones

necesarias para conseguir activar las diferentes superficies de los recintos en las que

eventualmente se concentrará la inercia térmica. Pueden utilizarse como dato de entrada

para programas e simulación si los recintos reales responden a las tipologías estudiadas. Se

han confeccionado dos tipos de tablas que se corresponden respectivamente con:

Análisis de los coeficientes de película en cada cerramiento de un recinto para diferentes

patrones de flujo y en función de las renovaciones hora (ver ejemplo en figura adjunta)

Análisis de la distribución de la radiación para diferentes relaciones de aspecto de los

recintos, diferente orientación y porcentaje acristalado (ver ejemplo en figura adjunta)

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Producto Final 3.- Software sobre redistribución de radiación solar, renovaciones hora y

protocolo CFD para cálculo de coeficientes de película. Se corresponden con un nivel de

detalle que en principio permite estudiar cualquier configuración. Se han desarrollado tres

productos:

Producto Final 3.1 Programa para cálculo de la redistribución de radiación solar en

recintos.- Usando un procedimiento de Backward Ray Tracing es aplicable a recintos con

obstáculos que contengan menos de 12 superficies opacas y 4 ventanas. .- En la figura

siguiente se muestra la pantalla principal de programa.

Producto Final 3.2 Programa para cálculo del patrón de flujos en edificios multizona.

Usando un método multizona en presiones y multizona en caudales calcula el patrón de

flujo a partir de los caudales de extracción en cada zona y la velocidad y dirección del

viento. En la figura siguiente se muestra la pantalla principal de programa

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Producto Final 3.3 Protocolo de simulación CFD para cálculo de los coeficientes de

película.- A partir de los caudales estimados por el programa anterior es posible utilizar

un procedimiento CFD que permita obtener los coeficientes de película asociados a las

diferentes superficies. En la figura siguiente se puede visualizar el tipo de malla

propuesto.

3.2 Del Paquete de Trabajo T5 y T6: Módulo de cálculo específico para la evaluación

de los elementos innovadores.

Producto Final 3.4 Software de caracterización de las Fachadas Activas SINHOR

usando un programa de diferencias finitas implícitas que incorpora la validación de los

coeficientes de película en las cámaras de aire obtenidos de los experimentos citados en

el entregable 2. Incluye procedimiento para integración en la Herramienta Unificada

LIDER CALENER. Se adjunta pantalla de definición del modo invierno.

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3.3 Del Paquete de Trabajo T7: Potencial de Aplicación

Producto Final 1.- Guía de Diseño de fachadas activas SINHOR para Andalucía.

Comprende una secuencia de mapas, tablas y ejemplos que van guiando al diseñador en el

proceso de toma de decisiones.

Se tienen en cuenta los siguientes conceptos:

Cualificación climática.- que indica la idoneidad del clima en términos de

disponibilidad del recurso medioambiental (radiación solar en invierno y temperatura

nocturna en verano). Se incluye mapa de disponibilidad de radiación solar sobre

superficie SUR en invierno.

Demanda del edificio.- Son los valores reglamentarios que se tienen que verificar el

edificio en kWh/m2 según el DB HE1 Del Código Técnico (CTE) dependiendo del

tamaño del mismo. Se incluye mapa de la demanda de calefacción para edificios cuya

superficie acondicionada es inferior a los 100 m2

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Determinación de la solución/es viable/s en función del área necesaria y el área

efectiva. Que indica el tamaño de fachada activa necesaria para convertir un edificio

que cumpa estrictamente los valores límite del CTE en un edificio pasivo. Se incluye

mapa para viviendas de 100 m2 en régimen de calefacción

Determinación de los detalles constructivos óptimos para los cuales se han elaborado

los mapas de área necesaria. Se incluye ejemplo de mapa para invierno suponiendo

acristalamiento bajo emisivo.

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Fichas constructivas y detalles para la ejecución utilizables para la implementación

de soluciones de fachadas activas en proyectos de rehabilitación. Incluye Análisis del

muro base, diseño de la intervención, ejecución, ejecución de encuentros y control de

ejecución. Se incluye un ejemplo de ficha:

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Ejemplo dela mejora derivada de la implementación en un edificio real que ilustra

la mejora en términos de condiciones de confort que se derivaría de utilizar la fachada

activa desarrollada en el proyecto en las distintas zonas climáticas. Se incluyen dos

figuras correspondientes a este apartado de la Guía de Diseño para el caso del edificio

situado en Sevilla.

Invierno Verano

Temperatura Edificio

Convencional Edificio Sinhor

Edificio Convencional

Edificio Sinhor

35ºC<= T < 40ºC 0% 0% 0% 0%

30ºC<= T < 35ºC 0% 0% 12% 3%

27.5ºC<= T < 30ºC 0% 3% 25% 17%

25ºC<= T < 27.5ºC 3% 13% 34% 35%

22.5ºC<= T < 25ºC 10% 13% 24% 37%

20ºC<= T < 22.5ºC 13% 22% 6% 9%

17.5ºC<= T < 20ºC 19% 22% 0% 0%

15ºC<= T < 17.5ºC 21% 23% 0% 0%

10ºC<= T < 15ºC 34% 5% 0% 0%

T < 10ºC 0% 0% 0% 0%

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4. Conclusiones y desarrollos futuros

Soluciones convencionales basadas en el contorno y la estructura del edificio.

El proyecto ha permitido crear una infraestructura integrada de información y cálculo que

permitirá al proyectista:

En fase de diseño, conocer los elementos de los recintos que son particularmente activados por

la radiación solar o por los eventuales esquemas de ventilación nocturna. Esos elementos son en

los que se debe concentrar la inercia del edifico para combatir las demandas de calefacción y/o

refrigeración.

En fase de desarrollo del proyecto poder calcular, con los paquetes de software desarrollados, el

efecto individual y conjunto (en base horaria, mensual y estacional) de una disposición concreta

de la inercia para un edificio y un clima dado.

Finalmente, poder integrar y poner en valor los cálculos anteriores en las herramientas de

certificación energética y cumplimentación del código técnico.

Soluciones innovadoras de fachadas activas.

En el proyecto se han diseñado, dimensionado, modelado, construido, experimentado y validado

dos soluciones de fachadas activas que potencian la inercia térmica y que son aplicables tanto en

nueva planta como en rehabilitación

La célula experimental desarrollada ha permitido realizar con éxito hasta seis campañas

diferentes de ensayos que han permitido entender el comportamiento de las fachadas activas en

diferentes situaciones, validar los modelos teóricos desarrollados y diseñar estrategias de

operación óptimas para el funcionamiento de los ventiladores.

Se han generado quías de diseño con información progresiva sobre los climas en los que las

fachadas activas son particularmente interesantes, sobre las características específicas de diseño

y operación que deben de tener en cada clima dichas fachadas para un comportamiento óptimo,

sobre la contribución concreta de los diseños anteriores a las necesidades de calefacción y

refrigeración de los edificio y finalmente, sobre el porcentaje de superficie de fachas activas (en

relación con la superficie habitable del edificio) que sería necesario para eliminar las

necesidades energéticas mencionadas. Este aspecto se complementa con fichas que contienen

detalles de implementación práctica para diferentes escenarios de rehabilitación.

Al igual que para las soluciones convencionales se ha generado una infraestructura informática

capaz de conocer con precisión el comportamiento de cualquier solución de fachada activa en

cualquier orientación y para cualquier clima. Finalmente, se ha establecido un protocolo para

integrar los resultados anteriores en las herramientas de certificación energética y

cumplimentación del código técnico.

En general, los resultados obtenidos han permitido concluir que los diseños propuestos son

excelentes y generarían unas reducciones de las demandas de calefacción considerables en

prácticamente toda la geografía andaluza suponiendo que los edificios están convenientemente

orientados. En régimen de verano hay una zona significativa (zona 4) en la que la contribución

energética es comparativamente menos significativa a pesar de que las soluciones activas para

refrigeración no tienen requerimientos de orientación.

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Se han revelado asimismo aspectos de mejora que constituirían líneas de trabajo futuras tales

como:

Potenciar la contribución en régimen de verano a partir de técnicas de enfriamiento

evaporativo.

Ampliar el concepto a cubiertas para poder cubrir edificación no residencial con pocas

plantas como por ejemplo hipermercados.

Proponer sistemas modulares de prefabricación de las fachadas activas que, además de

los elementos desarrollados en el presente proyecto, integren:

o Generación de electricidad con paneles fotovoltaicos para eliminar el consumo

asociado a la operación de los ventiladores.

o Soluciones simples de compuertas en la cámara de aire que permitan mejorar la

eficiencia de las fachadas en el modo de parada reduciendo las pérdidas de

calor (en invierno y las ganancias (en verano).

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5. Difusión

Las actividades de difusión se han estructurado en tres grupos:

Comunicaciones a congresos y artículos en revistas

Hasta el momento de culminar el periodo de investigación los resultados de la

investigación se han presentado en los 3 congresos internacionales siguientes:

o Eurotherm Seminar #99 Advances in Thermal Energy Storage

PAPER TITLE: “Reducing heating and cooling energy needs through an

innovative daily storage based solution”. Servando Álvarez

Domínguez1, Rafael Salmerón Lissén

1, Álvaro Ruiz-Pardo

2, José

Sanchez Ramos2. // 1 Grupo de Termotecnia, Escuela de Ingenieros, Seville, Spain,

e-mail: salvarez@us.es , rsalmeron@us.es, 2 University of Cadiz, Cádiz Spain.

o 35TH

AIVC-4TH

TIGHTVENT & 2ND

VENTICOOL

CONFERENCE, 2014. PAPER TITLE: “Reducing cooling energy needs through an innovative

daily storage based facade solution” Servando Álvarez Domínguez*1

,

Rafael Salmerón Lissén1, Álvaro Ruiz-Pardo

2, José Sanchez Ramos

2, and

Javier García Ramos1 //1 Universidad de Sevilla (Seville University) Escuela

Tecnica Superior de Ingenieros Seville, Spain *Corresponding author: salvarez@us.es

2 Universidad de Cádiz (Cadiz University) Cádiz, Spain.

o World Sustainable Building 2014 Barcelona. PAPER TITLE: “Edificios sostenibles de bajo consumo energético

mediante el uso de soluciones innovadoras de almacenamiento de calor”.

Servando Álvarez Domínguez1, Rafael Salmerón Lissén

1, Álvaro Ruiz -

Pardo2, José Sanchez Ramos

2. // 1 Grupo de Termotecnia, Escuela de Ingenieros,

Seville, Spain, e-mail: salvarez@us.es , rsalmeron@us.es, 2 University of Cadiz, Cádiz

Spain.

Estando prevista una batería de publicaciones mucho más amplia en un futuro

inmediato.

Jornadas de difusión en Sevilla y en Málaga durante el segundo trimestre de 2015.

Página web

Los productos finales antes referenciados por entregables son difundidos a través de la

web del IECA con un compromiso de actualización y mantenimiento de dos años en la

siguiente dirección:

www.ieca.es

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