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▪ Descripción:
Agencia de Ecologia de Barcelona.La climatización de los edificios dentro de la zonas urbanizadas en los calurosos meses de verano supone cada vez un mayor consumo de energía, que en muchas ocasiones es en forma de electricidad, como por ejemplo los aparatos de clima acondicionado. Este consumo tiene por lo tanto un gran impacto ambiental y se tendría que intentar reducir lo máximo posible. Las soluciones a este gran problema no tendrían porqué ser más complicadas de lo estrictamente necesario, simplemente se trata de considerar sistema y entorno y sus interacciones para entender bien el problema y encontrar soluciones apropiadas.
Es sabido que el microclima exterior influye en la demanda de climatización de un edificio provocando diferentes efectos en función de la variable climática que entre en juego. En esta comunicación se pretende exponer la importancia de la temperatura exterior en la demanda de climatización analizando la componente de infiltración. Para ello se han comparado dos casos de un boulevard en construcción en los que se aplica una metodología para calcular la demanda de climatización teniendo en cuenta la disminución del calor por infiltración debido a la incorporación de un elemento refrigerante en el espacio exterior inmediato al edificio.
1. INTRODUCCIÓN
La demanda teórica de climatización de un edificio depende del entorno y de la calidad del edificio. Dependiendo del clima, microclima y características constructivas, tanto a nivel de materiales como de diseño, cada una de las variables que entran en juego tendrán un peso relativo muy diferente en la demanda final.
Si se analizan las variables que definen el clima se ha de entender que hay dos grupos bien diferenciados por su naturaleza. Del primer grupo serían la radiación, viento, lluvia, pues éstas tienen un vector que define el sentido de su flujo energético. En ocasiones es muy difícil conocer exactamente este vector, como por ejemplo el viento, lo que dificultará definir una correcta estrategia de aprovechamiento de su potencial energético. En el caso de la radiación es inmediato, tanto de manera teórica como práctica, el conocimiento del vector aunque éste cambia constantemente a lo largo del día, pero aun así es posible planificar una protección solar efectiva con un simple toldo por ejemplo.
Sin embargo el segundo grupo de variables son de carácter extensivo, es decir, tienen un valor en cierta medida homogéneo en el espacio y no es posible ejercer un cambio sustancial entre dos puntos mediante un obstáculo físico si no que se ha de crear y mantener un gradiente de esta variable mediante un aporte continuo de energía. De ahí, el reto que supone controlarlas tanto en el espacio exterior como en el interior. A este grupo de variables pertenecen la temperatura, la humedad, la contaminación atmosférica, entre otras.
La demanda de climatización debida a la infiltración es proporcional a este gradiente entre la temperatura exterior y la temperatura interior de consigna. Por lo tanto, en día caluroso de verano, si se consigue bajar la temperatura exterior con respecto a la temperatura medida en la estación meteorológica (fuera de la ciudad), en vez de aumentarla como sucede en la isla de calor, se puede disminuir considerablemente la demanda de refrigeración.
Gráfico 1: situación actual Gráfico 2: situación ideal
Otra aspecto a tener en cuenta al estudiar la interacción entre las variables climáticas y la demanda de climatización es el efecto que tienen en el confort interior y cómo se da éste. Algunas de las variables que definen el microclima tienen un efecto indirecto, como por ejemplo la radiación sobre una cerramiento vertical opaco, la cual no entra directamente al espacio interior. Ésta es primeramente absorbida por la superficie dependiendo del color, después se transmitirá por conducción, a través de las diferentes capas que componen el sistema constructivo de la pared, hacia el interior y posteriormente por radiación de onda larga entre superficies que se encuentren a temperaturas diferentes y por convección desde la superficie interior del muro al volumen interior que es con lo que estamos directamente en contacto y es lo que nos producirá finalmente la sensación de confort o disconfort.
Sin embargo variables como la temperatura ambiente afectan directamente a la transferencia de calor por infiltración, es decir, al intercambio no deseado de aire entre el interior y el exterior del edificio. Durante todo el día el volumen de aire de una vivienda se está renovando continuamente sin que sea percibido. Por lo general los edificios son estancos al agua pero no al aire. Existen infinidad de vías a través de las cuales se cuela el aire, llegando a representar, en ocasiones, más del 50% de la demanda de climatización de un edificio.
2. DESARROLLO
En esta ocasión se ha estudiado un edificio (ver ilustración 3) con un sistema constructivo que cumple la normativa térmica vigente y se ha simulado su comportamiento térmico con un programa de simulación dinámica para calcular su demanda de climatización en un día de junio con el clima de Madrid. La demanda se ha calculado para dos casos (A01 y B01), cuya única diferencia es la temperatura exterior debido a la introducción de un elemento refrigerante como puede ser la vegetación en el espacio exterior.
Para las diferentes temperaturas exteriores se calcula la curva de infiltración según la expresión analítica:
Ecuación 1: Potencia de calor por infiltración
donde q es el caudal, en este caso una renovación de volumen por hora (1 ACH), 64460 m3/h
Cp es la capacidad calorífica del aire, 0,307 Kcal / m3 K
Tint es la temperatura interior, en este caso son 20 ºC como temperatura de consigna
Text es la temperatura exterior, es la variable que diferencia los dos casos.
Los perfiles de temperatura (Text ) para los dos casos estudiados en comparación con la temperatura medida en la estación meteorológica fuera de la ciudad es:
Perfil diario de temperaturas exteriores en ºC
Al aplicar la ecuación 1 para cada hora del día con los diferentes valores de temperatura se obtienen las siguientes curvas de transferencia de calor por infiltración:
Valores horarios de potencia de transferencia de calor por infiltración
En la representación gráfica se aprecia de forma más clara cómo las diferencias mayores se dan durante las horas de radiación solar:
Curvas de potencia de transferencia de calor por infiltración en KW
Para el cálculo de la demanda de climatización se ha utilizado el programa informático de simulación dinámica RadthermRT. El fichero de clima corresponde a un día despejado para una latitud y longitud de 40 y 3,3 correspondientemente.
En cada intervalo de tiempo el programa realiza el balance completo de transferencia de calor teniendo en cuenta el perfil de infiltración de manera dinámica.
3. RESULTADOS
La curva de potencia de demanda de climatización obtenida para los dos casos estudiados se ha representado en la siguiente gráfica:
Curvas de potencia de demanda de refrigeración y de transferencia de calor por infiltración
La integral de las curvas de potencia de demanda a lo largo de un día da la demanda total de climatización. En la tabla 2 se muestran los valores obtenidos:
Valores de demanda de climatización y peso relativo de la infiltración en los dos casos estudiados
Como resultado final se ha obtenido una reducción total de la demanda de climatización en verano del 12,3 % y se consigue simultáneamente reducir el peso de la infiltración del 40 al 30 %
4. DISCUSIÓN
La infiltración tiene un peso muy importante en la demanda de climatización de un edificio, tanto mayor cuanto mayor sea el gradiente de temperaturas que se ha de mantener entre el interior del edificio y el exterior.
La introducción de elementos refrigerantes en el espacio inmediato al edificio disminuye directamente a la transferencia de calor por infiltración y por lo tanto repercute de forma considerable en la demanda de climatización.
Dado que el fenómeno de la infiltración se da en la mayoría de edificios de forma inevitable e indeseable y que en muchas ocasiones es prácticamente imposible controlarla sería importante a la hora de intentar reducir la demanda de refrigeración de un edificio reducir al máximo este gradiente de temperaturas entre el interior y el exterior.
En el caso estudiado se ha considerado una temperatura de consigna de 20ºC pero ésta podría fijarse obviamente en un valor mayor.
Idoia Arauzo
Moisés Morató
Agencia de Ecología Urbana de Barcelona
Salvador Rueda
Director de la Agencia de Ecología Urbana de Barcelona
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Referencias bibliográficas
(1) Athienitis, A.K. & Santamouris, M (2002). Termal Analysis and Design of Passive Solar Buildings. James & James Editorial. Londres
(2) Olgay, V. (1998) Arquitectura y clima. Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Gustavo Gili, S.A. Editorial. Barcelona
(3) Programa informático RADTHERM versión 7.1 b. Thermoanalytics, INC. 2002.
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Referencia:
ARAUZO, Idoia ; Morató, Moisés ; Rueda, Salvador (dir.). Clima, urbanismo, confort y nergía : influencia de la temperatura en la demanda de climatización por infiltración. Barcelona : Agencia Ecología Urbana, 2002.
