Análisis numérico de sistemas solares pasivos en la edificación

Résumé

La Eficiencia Energética en la Edificación busca conseguir condiciones interiores adecuadas con el menor uso final de energía. La arquitectura bioclimática trata así de aprovechar los recursos naturales y adaptarse a las condiciones climáticas del lugar, haciendo uso preferentemente de sistemas de acondicionamiento pasivos que son partes del cerramiento, eventualmente modificadas. El menor uso de energía redunda también en una menor contaminación ambiental y menores costos. En esta tesis, se analizan cuatro de los sistemas solares pasivos utilizados en los Contenedores Demostradores de Investigación del proyecto ARFRISOL: galería acristalada, invernadero adosado, chimenea solar y fachada ventilada. Los cuatro elementos tienen como fuente de energía la radiación solar y la transmisión térmica se realiza principalmente por movimiento de aire. Su utilidad, en cambio, es diferente: calentamiento ¿con y sin inercia¿, ventilación y enfriamiento. El funcionamiento y el uso estacional son también distintos. La galería acristalada es un sistema de aislamiento y calentamiento, con superficie acristalada orientada al sur, espacio intermedio de paso y partición interior parcialmente acristalada entre galería y locales, que permite paso de radiación solar directa a dichos locales. La galería suele tener rejillas en techo y suelo, ligadas a los conductos de aire con lo que se puede modificar la temperatura de éste antes de pasarlo al sistema de climatización, reduciendo la energía a aportar para las condiciones interiores deseadas. La fachada ventilada de junta abierta, es una solución constructiva esencialmente orientada al aislamiento, que se viene desarrollando con éxito en los últimos años. Reduce las cargas de climatización en verano, gracias al efecto chimenea generado por la radiación solar. Consiste en un cerramiento construido sobre la pared exterior del edificio mediante una estructura portante metálica a la que se anclan losas creando una cámara de aire abierta por las juntas las juntas existentes entre las losas. La radiación solar activa la convección en el interior de la cavidad, con una corriente de aire ascendente que evacúa energía térmica. Disminuyen así la temperatura de la pared y la carga térmica de climatización. La chimenea solar es un sistema de ventilación natural que aprovecha la radiación solar para activar -por convección natural- la corriente ascendente dentro de la chimenea, colaborando en la renovación de aire. El invernadero adosado es un sistema de calentamiento. Aprovecha la radiación solar recibida para calentar el aire que circula por su interior y almacenar energía térmica en el suelo, que actúa como masa de inercia. Está compuesto de una superficie acristalada orientada al sur, un espacio intermedio de anchura superior al de la galería, y una partición interior parcialmente acristalada, que lo separa de los locales y permite el paso de la radiación solar directa a éstos. El espacio intermedio dispone de compuertas unidas al sistema de aire regulando el caudal de aire exterior y modificando su temperatura antes de pasarlo a los locales. El invernadero sirve de apoyo al sistema de climatización en verano e invierno. La investigación se ha basado en el análisis numérico por CFD (Computational Fluid Dymanics) utilizando un software de propósito general: Fluent. Se han resuelto las ecuaciones de Navier-Stokes por volúmenes finitos, incluyendo la modelización de la radiación, la turbulencia, la convección natural y la transmisión de calor en sólidos. Las geometrías desarrolladas han sido bi o tridimensionales según los casos. Las condiciones climatológicas estudiadas han sido, en general, las de los emplazamientos de los edificios; también se ha analizado paramétricamente la influencia de las distintas variables, sobre todo de la radiación solar. Los resultados de la investigación se resumen en: - Desarrollo de una metodología de análisis por CFD adaptada al estudio de los elementos pasivos en la edificación, con especial atención a la transmisión de calor por radiación y por convección natural. - Validación interna y externa de la metodología. La validez numérica está centrada en la convergencia del mallado y la precisión de las discretizaciones. Para la validación externa se han contrastado los resultados numéricos con datos experimentales de los elementos constructivos analizados. - Análisis detallado del comportamiento térmico y fluido dinámico de los sistemas. Comprobación de su validez como soluciones constructivas bioclimáticas a través del estudio pormenorizado de su funcionamiento y de la energía recogida o eliminada. - Estudio paramétrico para analizar la influencia del clima y la variación estacional en el modo operación. - Evaluación económica de los cuatro elementos constructivos, cuantificando en unidades monetarias el ahorro energético.