Parámetros de diseño de la Chimenea Solar...Parámetros de diseño de la Chimenea Solar 2. Datos...

Parámetros de diseño de la

Chimenea Solar

Juan Carlos León

Tutores:Dra. Helena Coch Roura

Dr. Antonio Isalgué Buxeda

Máster en Arquitectura Energía y Medio AmbienteUniversidad Politécnica de Cataluña

2013

Chimenea solar:

Estudio:

Genera movimiento de aire al interior de edificios amplificando la zona de conforthumano en temperatura y humedad elevadas

Análisis de la en relación a laal modificar variables de configuración utilizando la herramienta de

simulación DesignBuilder.

velocidad del aireque genera

sistema pasivo de acondicionamiento climático

eficiencia del dispositivo

Palabras clave: Chimenea Solar, Ventilación Natural, Confort Térmico, Design Builder, Ventilación

Cruzada.

Estudios existentes se concentran en el desempeño de la chimenea solar de formaautónoma. .Necesidad de información sintetizada que permita al arquitecto

Sin difusión al gremio constructivo

incluir el dispositivo

en el proceso de diseño.

Resumen

Justificación

Definir parámetros de diseño de los componentes principales de la chimenea solar,identificando sus rangos óptimos de dimensionamiento para su máxima eficiencia.

Objetivo General

Parámetros de diseño de la Chimenea Solar

1. Introducción

UPC

Tesina Final de Máster AEM 2013

Autor:

Tutores:

Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué


2. Datos climáticos

100%

Humedad Relativa

90% 80% 70% 60% 50%

40%

30%

SMa

II

V

IV

E

AgAb

E

F Mr

D

N

O

Jn

Jul

20%

05

TS °C

TH °C

10 5 10 15 20 25 30 35 40 45

10%

Zonas de Confort Y Corrección con ArquitecturaGivoni

Simbología

CI

CV

V

IV

II

E

Zona Confort de InviernoZona Confort de VeranoZona Control Posible con VentilaciónZona Control Posible con Inercia en VeranoZona Control Posible con Inercia en InviernoZona Control Posible Refrigeración Evaporativa

CV

CI

Tabasco, México

Sitio para estudio en simulaciones

Clima: Cálido HúmedoVillahermosa, Tabasco, MéxicoLatitud 18° Norte Longitud 92° OesteTemperatura Media Máxima Anual:Humedad Relativa Media Anual:Frecuencia de Viento en Calma:

Ventilación

Disipación de calor:a. Convección en la superficie de pielb. Refrigeración por evapo-transpiración

31,9°C

87%

32%

Datos ClimáticosFuente: Weatherbase

WindfinderCNA México

Estrategia de CorrecciónFuente: Ábaco Psicométrico

de Baruch Givoni

Efectos en el UsuarioFuente: Arquitectura y

Energía Natural. Serra, R. Coch H

UPC


Autor:

Tutores:



3. Estado del Arte

a

b

c

c

c

c

d

e

f

Cerramiento absorbente

Acristalamiento exterior

Aislante térmico

Absorbente de radiación

Entrada de aire

Salida de aire

Acumulador de energía

Captación de radiación solar

Evitar flujo de calor fuera de la cámara

Recubrimiento de color negro

Permitir flujo hacia el interior de la chimenea

Permitir flujo hacia el exterior de la chimenea

Esquema Chimenea SolarSección Norte a Sur

Interior

Exterior

a

b

c

d

e

f

g

h

Nomenclatura

Prototipo de Chimenea Solar

InvestigaciónArce, J.

Jiménez, M.J.Guzmán, J.D.

Fuente:

Elsevier

Radiación Solar

Flujo de Aire

UPC


Autor:

Tutores:



4. Criterio de materiales y dimensiones

Chimenea Solar y HabitaciónSección Sur a Norte

0 50 100 200 cms

a

b

c

d

Criterio de materiales

0,7

0,3

0,3

0,8

Acristalamiento sencillo vidrio 6mmTransmitancia:

Cerramiento convencional de block hueco dehormigón de 12 cms con mortero de 1,5 cms deespesor y recubrimiento pintura blancaAbsortancia térmica:

Cubierta de hormigón armado de 12 cms conrecubrimiento de mortero de 7 cms yrecubrimiento de impermeabilizante blancoAbsortancia térmica:

Partición de block hueco de hormigón de 12cms con mortero de de 1,0 cms y recubrimientode pintura negra cara interior. Aislante térmicode 1,0 cms, mortero de 1,0 cms y recubrimientode pintura blanca por superficie exterior.Absortancia térmica interior:

a

b

c

c

c

d

Habitación

Chimenea

Solar

UPC


Autor:

Tutores:



0 50 100 200 cms

HS

Z105

Z105

NPN

NPN

HEHM

CA

T


5. Nomenclatura de variables

T

CA

HE

HM

HS

Nomenclatura de variables

Torre de ChimeneaL: 100 x A: 30 x H: 300

Cámara de ChimeneaL: 100 x A: 30

Hueco de Entrada de AireL: 100 x H: 30

Hueco Medio en partición de HabitaciónL: 100 x H: 30

Hueco de Salida de AireL: 100 x A: 30

Punto de Cálculo a altura del usuarioZ: 105 sobre el nivel del suelo

Nivel de Presión NeutroH: 150

UPC


Autor:

Tutores:



6. Esquemas de variables

Altura de Torre ( )T

Relación Hueco Entrada - Salida ( )RHES

Posición Torre ( )PT

Renders: DesignBuilder: 19.07 14:00 hrs

Ancho de Cámara ( )CA

Posición Hueco Entrada ( )PHE

Posición Torre + Hueco Entrada ( )PTHE

Variables

T

CA

RHES

PHE

PT

PTHE

Incrementar la altura de la torre en rangos de50 cms hasta llegar a 600 cms

Incrementar el ancho de la cámara en rangos de10 cms a partir del modelo de referencia

Ampliar y reducir el hueco de entrada enrelación al hueco de salida HS

Desplazar verticalmente el hueco de entrada HEen rangos de 30 cms

Desplazar verticalmente el cuerpo completo dela torre en rangos de 30 cms

Desplazar verticalmente la torre T)y el hueco deentrada HE en rangos de 30 cmssimltáneamente

UPC


Autor:

Tutores:


0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

300 350 400 450 500 550 600

Ve

loci

da

d(m

/s)

Altura de Torre (cms)

Altura de Torre (T)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

30 40 50 60 70 80

Ve

loci

da

d(m

/s)

Ancho de Cámara (cms)

Ancho de Cámara (CA)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

10 20 30 40 50 60 70 80 90

Ve

loci

da

d(m

/s)

Alto de Hueco Exterior HE (cms)

Relación Hueco Entrada : Hueco Salida

(RHES)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

+15 +45 +75 +105 +135 +165 +195 +225

Ve

loci

da

d(m

/s)

Distancia del Suelo HE (cms)

Posición de Hueco Entrada (PHE)


7. Análisis de simulaciones en gráficas

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

+15 +45 +75 +105 +135 +165 +195

Ve

loci

da

d(m

/s)

Distancia del Suelo Torre (cms)

Posición Torre (PT)

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

+15 +45 +75 +105 +135 +165 +195

Ve

loci

da

d(m

/s)

Distancia del Suelo T + HE (cms)

Posición Torre y Hueco Entrada (PTHE)

Z105

HE

Torre (T)

Cámara (CA)

Relación Hueco Entrada Salida (RHES)

Posición Hueco Entrada (PHE)

Posición Torre (PT)

Posición Torre y Hueco Exterior (PTHE)

Aumentar la altura de la torre incrementasustancialmente la velocidad de aire hasta un

al duplicar su altura

Ampliar la cámara en la velocidad deaire interior

Reducir el Hueco de Entrada incrementa lavelocidad de aire entrante hasta un

Desplazar el HE a una altura próxima al puntode cálculo Z105 la velocidad de aireen ese punto.

Desplazar la torre verticalmente en lavelocidad de aire interior.

Desplazar T y HE a la altura del punto de cálculoZ105 sustancialmente la velocidad deaire en ese punto.

77%

no incide

100%

incrementa

no incide

aumenta

UPC


Autor:

Tutores:



8. Resultados reflejados en modelos CFD

T300

HE10

PT30

HE100

PT195

PHE75

PTHE00

PHE210

PTHE195

CA80T600 CA40

CFD eje x : DesignBuilder: 19.07 14:00 hrs

Torre )(T

Hueco Entrada ( )HE

Posición Torre ( )PT

Cámara ( )CA

Cámara (CA)

Posición Torre + Hueco Entrada ( )PTHE

Comentario:

Z105

Altas velocidades de entrada con unadistribución deficiente puede lasaportaciones de la chimenea solar al conforttérmico de los usuarios.

El entre velocidad ydistribución impacta en el punto de cálculo

a la altura del usuario.

1.

2.

anular

equilibrio del sistema

UPC


Autor:

Tutores:


0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

T CA RHES PHE PT PTHE

Ve

loci

da

d(m

/s)

Variables

Incremento Máximo de Velocidad por Variable

Z105

HE

Clave Nomenclatura

Z105 HE

T Altura de Torre 0.19 1.08

CA Ancho de Cámara 0.21 0.61

RHES Relación Hueco Entrada : Hueco Salida 0.26 1.20

PHE Posición de Hueco Entrada (Eje vertical) 0.29 0.64

PT Posición de Torre (Eje vertical) 0.19 0.63

PTHE Posición de Torre y Hueco Entrada (Eje vertical) 0.28 0.62

Velocidad del Aire (m/s)

Incremento máximo de velocidad por variable

Clave Descripción

Distribución Velocidad

T Altura de Torre Muy bajo Alto

CA Ancho de Cámara Bajo Muy bajo

RHES Relación Hueco Entrada : Hueco Salida Alto Muy alto

PHE Posición de Hueco Entrada (Eje vertical) Muy alto Bajo

PT Posición de Torre (Eje vertical) Muy bajo Bajo

PTHE Posición de Torre y Hueco Entrada (Eje

vertical)

Alto Bajo

Evaluación de Impacto de Variables

Impacto

Variables Incidentes

RHES

T

PHE

PTHE

RHES

Velocidad:

a. Relación Hueco Entrada y Salidab. Altura de Torre

Distribución:

a. Posición Hueco Exteriorb. Posición Torre y Hueco Entradac. Relación Hueco Entrada : Salida

HS

T

CA

HE

0 200

HM

1

2


9. Análisis de resultados por variable

UPC


Autor:

Tutores:



1

NPN

Mover

Mover

90% Máx

1 a 1.5 x

X

1 : 3

Z105

2

3

4

0

NPT 0.00

cms50 100 200

Parámetros de Diseño:

HE

75 a 90%

HE

tercera

parte

T

1.5

HM

HE

El hueco de entrada de aire deberádesplazarse a una altura de entre de laaltura total del punto que sea nuestro objetivo aventilar.

La superficie del hueco de entrada deberáajustarse de manera proporcional a una

de la superficie de salida HS.

La altura total de la torre incrementasustancialmente la velocidad de aire, el rangomás eficiente de operación es cuando su alturaes igual o veces la distancia entre los huecosde la habitación.

Desplazar la altura de la torre T o del huecomedio hasta hacerla coincidir con la alturade previamente ajustado, optimizará sufuncionamiento.

11

2

3

4


10. Parámetros de diseño

UPC


Autor:

Tutores:



1

NPN

Posición Máxima

Límite Máx

HS HE>

Proporción Horizontal

Z105

2

3

0

NPT 0.00

cms50 100 200

Restricciones de Diseño:

NPN

HE

2 a 1

HS

Los huecos HE y HM no deben rebasar la alturadel ( ya quereduce su velocidad y distribución al reducir lasdiferencias de presión.

La proporción del hueco de entrada no debeexceder la relación entre su base y sualtura. Más vertical menos eficiencia.

La superficie del hueco de salida no deberáser menor a la superficie del hueco de entradaHE, ya que reduce drásticamente la velocidad.

Nivel de Presión Neutral)

1

2

3

HE Proporción verticalContraflujo Exterior


11. Restricciones de diseño

UPC


Autor:

Tutores:


UPC


Autor:

Tutores:



Render: Modelo Final (MF)

Fachada Sur09.01 14:00 hrs

Nota:Clave Descripción

Base Alto Nivel

T Torre 100 450 +90

CA Cámara 100 30

HE Hueco de Entrada 100 10 +90

HM Hueco Medio 100 30 +90

HS Hueco de Salida 100 30 +540

Z105 Punto de Cálculo : Altura del Usuario +105

Configuración de Modelo Final

Dimensiones (cms)

HEHM

HS

0 cms50 100 200

1

2

3

Ajuste de Variables

HE T +90

HE tercera parte

T 1.5

Desplazar el y a una altura de cms.respecto al suelo

Reducir la abertura de en unade su superficie

Aumentar la altura de en veces la distanciade los huecos interiores de la habitación

La base o ancho de todos los huecos se mantiene en 100cms, los cambios a la superficie de los huecos se aplica ensu altura.


12. Modelo Final de Comprobación (MF)


13. Análisis de resultados de Modelo FinalClave Nomenclatura Variación

MR MF %

Z105 Punto de Cálculo: Altura del Usuario 0.19 0.46 247.31

HE Hueco de Entrada de Aire 0.61 1.56 256.16

Comparativo del Modelo de Referencia al Modelo Final

Velocidad del Aire (m/s)

Modelo Final

CFD Seccíon Sur a Norte09.01 14:00 hrs

Resultados Comparativo

Z105 HE MF

250%

HE

1.56 m/s

Z105 0.46 m/s

La velocidad del aire calculada en los puntosy del modelo final aumentó en unrespecto al modelo de referencia MR

Los valores de velocidad de viento en secalcularon en y el valor calculado en laposición del usuario es de

1

2

Modelo Final

CFD 3D Velocidad de viento09.01 14:00 hrs

La velocidad más alta se registra en el HE y elflujo de aire presenta una morfología de tipocónica, con una tendencia ligeramenteascendente.

Nota:

0.00

0.50

1.00

1.50

Z105 HE

Ve

loci

da

d(m

/s)

Variables

Comparativo del Modelo de Referencia (MR) al ModeloFinal (MF)

MR

MF

HEZ105

UPC


Autor:

Tutores:



14. Referencias al Confort Térmico

Referencias Confort Térmico

28°C

Velocidad de aire de entrada de , similara la producida por un abanico de techo de usoconvencional.

Velocidad promedio interior de , quepuede interpretarse como reducción deen la sensación térmica del ser humano. (RafaelSerra).

Implantando la velocidad promedio deen la gráfica bioclimática de Víctor Olgyayestablecer una ampliación de la zona de confortde a

1,5 m/s

1,01 m/s

3,4°C

1,01 m/s

30,2°C.

1

2

3

48.9

43.3

32.2

Zona de Confort

Límite de Viento y Humedad

Humedad Relativa (%)

Gráfica Bioclimática

Víctor OlgyayTe

mp

era

tura

Se

ca e

n °

C

Línea de Congelación

Línea de Sombra

Golpe de Calor

Viento

m/s0.5

1.021.522.032.543.0526.7

21.1

15.6

10

4.4

-1.1

-6.7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

37.8

UPC


Autor:

Tutores:


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