EnergíaEnergíay yyyArquitecturaArquitecturaArquitectura. … · Fhueco = F S · [(1−FM)· g +FM · 0,04 ·U m · α] Huecos acristalados Con g, factor solar del vidrio, de fórmula:

Prof. Miguel Ángel Gálvez HuertaProfesor Titular UPMDepartamento de Física e Instalaciones Aplicadas a la Edificación, el Urbanismo y el Medio Ambiente

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TallerTallerTallerTaller dededede sostenibilidadsostenibilidadsostenibilidadsostenibilidadTALLER DE SOSTENIBILIDAD

TALLER DE SOSTENIBILIDAD



EnergíaEnergíaEnergíaEnergía yyyy ArquitecturaArquitecturaArquitecturaArquitectura.... UnaUnaUnaUna primeraprimeraprimeraprimera aproximaciónaproximaciónaproximaciónaproximación

1. Fundamentos1. Fundamentos1. Fundamentos1. Fundamentos- Introducción: materia y energía en la Arquitectura- Las teorías físicas (termológicas), herramientas para el análisis energético (térmico)

Ejercicio 1: Análisis de modos de intercambio de calor

Índice del tallerÍndice del tallerÍndice del tallerÍndice del taller

Energía y ArquitecturaEnergía y ArquitecturaEnergía y ArquitecturaEnergía y ArquitecturaTALLER DE SOSTENIBILIDAD




2. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (I)2. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (I)2. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (I)2. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (I)- La configuración y el tamaño: el factor de forma 3D y 2D

Ejercicio 2: Determinación del FF. Análisis comparativo.

3. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (II)3. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (II)3. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (II)3. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico (II)- La materialidad de la envolvente: parámetros caracterizadores

Ejercicio 3: Análisis de un elemento arquitectónico: una ventana

4. Síntesis: Modelos interpretativos sencillos4. Síntesis: Modelos interpretativos sencillos4. Síntesis: Modelos interpretativos sencillos4. Síntesis: Modelos interpretativos sencillos- El factor de forma termoponderado- Otros modelos posibles (coste económico, contenido de material y energía 1ª …)

Ejercicio 4: Propuesta de modelo interpretativo

1. Materia y energía en la Arquitectura1. Materia y energía en la Arquitectura1. Materia y energía en la Arquitectura1. Materia y energía en la Arquitectura

a) Contenido energético de la materia con la que se hace la Arquitectura.

Derivado del tratamiento que recibe en las distintas fases de la construcciónconstrucciónconstrucciónconstrucción yyyy vidavidavidavida útilútilútilútil:

FundamentosFundamentosFundamentosFundamentosFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: la materialidadModelos interpretativos

Energía y ArquitecturaEnergía y ArquitecturaEnergía y ArquitecturaEnergía y Arquitectura

- Extracción y procesado de materiales;- Fabricación de productos;- Transporte de materiales y productos;- Colocación en obra;- Reparación o sustitución;





En la fase de proyectoproyectoproyectoproyecto emerge una nueva materia, constituyente esencial de la arquitectura:

El aireaireaireaire delimitado delimitación que no necesariamente tiene que ser física

- Reparación o sustitución;- Reciclado; y- Vertido.

Se precisa energía para acondicionarlo (higrotérmica, acústica y lumínicamente) durante su usousousouso

1. Materia y energía en la Arquitectura1. Materia y energía en la Arquitectura1. Materia y energía en la Arquitectura1. Materia y energía en la Arquitectura

b) Energía necesaria para el acondicionamiento higrotérmico

El aire debe mantener unas condiciones mínimas higrotérmicas que lo hagan habitable



- Temperatura;- Humedad;- Velocidad; y- Pureza.





En entornos agresivos, para mantener estas condiciones es ineludible realizar un gastoenergético, que debe minimizarse.

En entornos o situaciones benignas debe garantizarse la habitabilidad sin gasto alguno

Las decisiones de proyecto sobre la configuraciónconfiguraciónconfiguraciónconfiguración, tamañotamañotamañotamaño y materialidadmaterialidadmaterialidadmaterialidad del objetoarquitectónico tienen una innegable trascendencia energética:- Determinan la cantidad de materia (y la energía en ella “contenida”) que se pone en juegoal construir,- Prefiguran la cantidad de energía que se empleará en climatizarlos, es decir, calentarlos,enfriarlos y ventilarlos, durante su uso.











2. Teorías físicas: herramientas de análisis2. Teorías físicas: herramientas de análisis2. Teorías físicas: herramientas de análisis2. Teorías físicas: herramientas de análisis

a) Introducción a las teorías físicas

Para predecir los fenómenos involucrados en la edificación y poder controlarlos a voluntad,el arquitecto cuenta con potentes herramientas que le proporciona la Ciencia, en este casola Física Clásica



No hay “una” Física, sino un conjunto de teorías físicas.

Cada una de ellas se refiererefiererefiererefiere a un aspecto parcial de la realidad, del cual es una





Cada una de ellas se refiererefiererefiererefiere a un aspecto parcial de la realidad, del cual es unarepresentaciónrepresentaciónrepresentaciónrepresentación (parcial, ideal y matematizada):

Fuente: F. González de Posada

2. Teorías físicas: herramientas de análisis2. Teorías físicas: herramientas de análisis2. Teorías físicas: herramientas de análisis2. Teorías físicas: herramientas de análisis

b) Teorías termológicas

Las teorías físicas clásicas que tratan sobre fenómenos térmicos, es decir, sobre el calor y latemperatura, recibe el nombre de Termología



Entre ellas deben destacarse:- Teoría elemental de los intercambios de calor de Lavoisier y Laplace- Teoría de la dilatación térmica de gases- Teoría analítica del calor de Fourier





- Teoría analítica del calor de Fourier- Teoría de la radiación electromagnética térmica

Con un rango superior a ellas, y a las demás teorías físicas clásicas (Dinámica Newtoniana,Mecánica de Fluidos, etc. ) está la Termodinámica Clásica, con pretensiones de

- Totalidad- Universalidad- Generalidad

La Termodinámica trata de la energía, en sus diferentes manifestaciones (térmica, mecánica,eléctrica, química, etc.), sobre la que establece dos principios:

- Conservación- Degradación

3. Intercambios de calor en edificios3. Intercambios de calor en edificios3. Intercambios de calor en edificios3. Intercambios de calor en edificios

a) Deslinde de conceptos previos:- El calor es energía en tránsito. Los cuerpos no “poseen” calor- La temperatura es un índice del nivel de calentamiento de los cuerpos



En respuesta a las variaciones del clima exterior, las condiciones de los recintos de airecambian con el tiempo. En el elemento delimitador se producen los intercambios de energíay de materia causantes de los anteriores cambios

- La temperatura es un índice del nivel de calentamiento de los cuerpos





b) Modos de intercambio de calor:Se estudiarán en lo que sigue:

- Conducción- Convección- Transmisión superficial del calor- Radiación- Evaporación




Para ello es de utilidad el siguiente cuadro:Fuente: F. González de Posada





Capacidad del aire de admitir vapor




Con ayuda de las teorías físicas mencionadas:

TEORÍATEORÍATEORÍATEORÍA ECUACIONESECUACIONESECUACIONESECUACIONES CONSTANTES CONSTANTES CONSTANTES CONSTANTES

Intercambios elementales de calor

c: Calor específico

Intercambios de calor con cambio de fase

L: Calor latente

Q m c T= ∆

Q m LCF=

T∆





Conducción del calor en sólidos

λ: Conductividad térmica

Transmisión superficial del calor

h: Coeficiente de transmisión superficial del

calor

Radiación electromagnética térmica (emisión)

ε: emisividad

σ:Constante de Stefan-Boltzmann

x

Tq

∆∆= λ

q h T= ∆

4TET εσ=

Las leyes de estas teorías son todas ellas relaciones de proporcionalidad (casi siempre Q~∆T)La cuantía del efecto (calor, Q; densidad de flujo de calor, q = Q/t·S; energía radiante E=q/λ)depende de una constante característica del cuerpo (c, L, h, λ, ε)




Ejercicio de clase 1:Por grupos, discutir los fenómenos de intercambio que se dan en el caso de un cubo dehielo flotando en el agua:

20 ºCAire

0ºCCF

……. …….CF

TSCCV

R

R





10 ºC-15 ºC Agua

Bloque de hielo

Leyenda:CC conducciónCV convecciónTSC transmisión superficialR radiaciónCF cambio de fase

CC

0ºCCF

…….…….

…….…….

TSC

TSC

CV




Ejemplo de intercambios de calor en las personas:

El hombre genera un calor metabólico sobrante, creciente según la actividad desarrollada(entre 70 y 140 W los varones adultos con actividad normal)El calor sobrante se cede a los alrededores aaaa travéstravéstravéstravés dededede lalalala pielpielpielpiel ((((≈ 1111,,,,85858585 mmmm2222)))) y por la respiración

Calor disipado, QQQQa) AAAA travéstravéstravéstravés dededede lalalala pielpielpielpiel, QQQQ





Se define una situación de confort térmico como aquella en la que el trabajo de adaptaciónen las operaciones de dispersión del calor metabólico es mínimo.

a) AAAA travéstravéstravéstravés dededede lalalala pielpielpielpiel, QQQQpppp- Por radiación (sensible)- Por convección (sensible)- Por conducción (sensible)- Por evapotranspiración (latente)

b) Por la respiración, QQQQrrrr (sensible y latente)

En régimen permanente, el balance energético es: MMMM ==== QQQQpppp +Q+Q+Q+Qrrrr




Ejemplo de intercambios de calor en edificios:Intercambio por conducción y transmisión superficial del calorIntercambio por conducción y transmisión superficial del calorIntercambio por conducción y transmisión superficial del calorIntercambio por conducción y transmisión superficial del calor





IntercambioIntercambioIntercambioIntercambio ggggobernado por ∆T




Intercambio por radiaciónIntercambio por radiaciónIntercambio por radiaciónIntercambio por radiaciónGGGGobernado por la diferencia de temperatura

radiante de las superficies








Intercambio por convecciónIntercambio por convecciónIntercambio por convecciónIntercambio por convección





IntercambioIntercambioIntercambioIntercambio ggggobernado por:El ∆T entre el exterior e interior

El caudal Q de aire

FundamentosFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: la materialidadModelos interpretativos


1. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico1. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico1. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico1. Factores de influencia en el comportamiento energético térmico

Como se ha visto, los fenómenos de intercambio de calor se producen a través de lasuperficie de separación con el exterior, de forma que este elemento delimitador influye en sucomportamiento térmico.







2. Ámbito de validez2. Ámbito de validez2. Ámbito de validez2. Ámbito de validezEn climas extremos conviene minimizar la superficie en contacto con el exterior (Compacidad)En climas benignos, todo lo contrario (Permeabilidad)





El índice que mejor refleja la compacidad es el factor de forma (FF)factor de forma (FF)factor de forma (FF)factor de forma (FF)



3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formaa) Definición

V

SFF =

FFFFFFFF factor de forma (m-1),SSSS superficie envolvente, (m2),VVVV volumen contenido por la superficie, (m3).





VVVV volumen contenido por la superficie, (m3).

El cuerpo con menor f es la esferaEl cuerpo con menor f es la esferaEl cuerpo con menor f es la esferaEl cuerpo con menor f es la esferaSe emplea en la arquitectura vernácula de paísescon climas extremos



3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formab) El factor de forma, índice de geometría y tamaño





A mayor tamaño, menor fA mayor tamaño, menor fA mayor tamaño, menor fA mayor tamaño, menor f

Ejercicio de clase 2:Determinar el factor de forma del edificio de MurcuttCompararlo con otros casos:

1: edificio de dimensiones 10 x 10 x 3 m2: agregación en hilera de 4 edificios 13: apilamiento de 4 pisos del caso 2



3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formac) ConsecuenciasInfluencia de la tipología arquitectónica en la demanda de energía. Prada y Úrculo (1999)

Comparación según la disposición de edificios:-Viviendas unifamiliares (chalet)- Viviendas adosadas- Bloques de 4 plantas- Bloques de ocho plantas





- Bloques de ocho plantas

Todas las viviendas con la misma superficieTodos los edificios con los mismos materiales

El menos eficiente es el chalet (mayor FF)



3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formac) ConsecuenciasInfluencia del modelo de ciudad en la demanda de energía (difusa vs compacta)

Ciudad difusaCiudad difusaCiudad difusaCiudad difusa







3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formac) ConsecuenciasInfluencia del modelo de ciudad en la demanda de energía (difusa vs compacta)

Ciudad compactaCiudad compactaCiudad compactaCiudad compacta







3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formad) Otros campos de trabajo muy fructíferos







3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formad) Otros campos de trabajo muy fructíferos (Tesis Doctoral A. Fernández de Trocóniz)







3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de forma3. Factor de formad) Otros campos de trabajo muy fructíferos (Tesis Doctoral A. Fernández de Trocóniz)





FundamentosFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: la materialidadFactores de influencia: la materialidadFactores de influencia: la materialidadFactores de influencia: la materialidadModelos interpretativos


1. Factor de forma termoponderado1. Factor de forma termoponderado1. Factor de forma termoponderado1. Factor de forma termoponderado





Mediante ponderaciónponderaciónponderaciónponderación según las propiedades características del material de la envolvente

FundamentosFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: la materialidadFactores de influencia: la materialidadFactores de influencia: la materialidadFactores de influencia: la materialidadModelos interpretativos


1. Factor de forma termoponderado1. Factor de forma termoponderado1. Factor de forma termoponderado1. Factor de forma termoponderadoa) Definición

( )V

S·U

V

SFF ii

** Σ==

FFFFFFFF**** factor de forma termoponderado (W/ºC·m3), calor intercambiado a través de la envolventepor unidad de tiempo, de volumen y de diferencia de temperatura,





por unidad de tiempo, de volumen y de diferencia de temperatura,SSSSiiii elemento de superficie que forma la envolvente (m2),UUUUiiii propiedad térmica de cada elemento de superficie que forma la envolvente (W/m2·ºC),VVVV volumen contenido por la envolvente (m3).

La propiedad térmica elegida, UUUU (transmitancia(transmitancia(transmitancia(transmitancia térmica)térmica)térmica)térmica), representa el comportamiento delelemento en los fenómenos de conducciónconducciónconducciónconducción yyyy transmisióntransmisióntransmisióntransmisión superficialsuperficialsuperficialsuperficial del calor exclusivamente

Si se quisiera evaluar otros comportamientos de tipo térmico (radiación) o de otro tipocualquiera (valoración económica, contenido de energía primaria de los materiales), habría queaplicar otros coeficientes de ponderación

sise RRRU

++= 1

j

jLLLR

λλλ+++= L

2

2

1

1Rsi= 0,13 Rse= 0,07

FundamentosFactores de influencia: configuración y tamañoFactores de influencia: la materialidadModelos interpretativosModelos interpretativosModelos interpretativosModelos interpretativos


Ejercicio de casa:Con ayuda del factor de forma termoponderado, elaborar un modelo para interpretar elcomportamiento de un edificio de forma paralelepipédica en los siguientes casos:

Caso 1: edificio de dimensiones 10 x 10 x 3 m con ventanas en las caras verticales exterioresCaso 2: agregación en hilera de 4 edificios refugios del caso 1Caso 3: apilamiento de 4 pisos del caso 2

Proponer la solución más eficiente (menor FF*), a partir de los siguientes datos:





NOTA: estudiar los huecos (ventanas) compuestas decarpintería (marco) y vidrio. Su transmitancia se obtienea partir con la fórmula:

( ) mHvHH UFMUFMU ,,1 ⋅+⋅−=

UH transmitancia térmica del hueco (W/m2·K)

UH,v transmitancia térmica de la parte vidriada (W/m2·K)

UH,m transmitancia térmica del marco (W/m2·K)

FM fracción del hueco ocupada por el marco (-)

Modelo interpretativo desde el punto de vista de la radiaciónModelo interpretativo desde el punto de vista de la radiaciónModelo interpretativo desde el punto de vista de la radiaciónModelo interpretativo desde el punto de vista de la radiación

Nuevo factor de forma volumétrico ponderado,



( )V

SF

V

SFF ii·Σ==

⊗⊗

Y la propiedad térmica que caracteriza el comportamiento del elemento constructivo frente a la radiación es el factor solar modificado, F (adimensional), de fórmula de definición

⊕FF

Donde las áreas Si están ponderadas por orientacionesSur: 1 Norte: 0,36 Este y Oeste: 0,68

Cerramientos opacos





esopaco h

UFF

α·=

Fhueco= FS · [ (1−FM)· g +FM · 0,04 ·Um · α ]Huecos acristalados

Con g, factor solar del vidrio, de fórmula: Absortividad del marco para radiación solar ααααColor claro medio oscuro

blanco 0,20 0,30 ---

amarillo 0,30 0,50 0,70

siena 0,35 0,55 0,75

castaño 0,50 0,75 0,92

rojo 0,65 0,80 0,90

verde 0,40 0,70 0,86

azul 0,50 0,80 0,95

gris 0,40 0,65 ---

negro --- 0,96 ---

Con α, absortividad del marco, de valores

τα ++

=ie

i

hh

hg

NOTA: en todos los casos Fs, factor de sombra, fracción del elemento no protegido por dispositivo de sombreamiento

Estrategias de reducción de la demanda de calefacciónEstrategias de reducción de la demanda de calefacciónEstrategias de reducción de la demanda de calefacciónEstrategias de reducción de la demanda de calefacción

a) Mejorar la calidad de los componentes- Parte ciega:

Mejora aislamiento con criterios de amortización Mismo nivel de aislamiento en todas las orientaciones

- HuecosMejora aislamiento en ventanas al Norte(Ojo: al reducir U, se reduce g) por medios naturales



(Ojo: al reducir U, se reduce g) por medios naturales

b) Mejorar el acceso solarAumento del área solar efectiva al Sur (porcentaje acristalado)

c) Aumentar la compacidad del edificio Mínima superficie para un volumen dado

d) Reducción de pérdidas por ventilaciónAumento de la estanquidadControl de caudal de ventilaciónRecuperación del calor del aire expulsadoAtemperamiento del aire impulsado por medios naturales





Estrategias de reducción de la demanda de refrigeraciónEstrategias de reducción de la demanda de refrigeraciónEstrategias de reducción de la demanda de refrigeraciónEstrategias de reducción de la demanda de refrigeración

a) Mejorar la calidad de los componentes- Parte ciega:

Mejora aislamiento de cubiertaEn el resto de orientaciones, contraproducente (en contra de las pérdidas)

- HuecosAl disminuir U también lo hace g



Al disminuir U también lo hace gEfecto global prácticamente nuloDiseño para invierno. Corrección para verano





b) Empleo de energías gratuitasUso de la ventilación nocturna. Precisa inercia Empleo de reirradiación nocturna.

c) Reducción de ganancias por ventilaciónAumento de la estanquidadControl de caudal de ventilaciónRecuperación del calor del aire expulsadoAtemperamiento del aire impulsado por medios naturales











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EnergíaEnergíay yyyArquitecturaArquitecturaArquitectura. … · Fhueco = F S · [(1−FM)· g +FM · 0,04 ·U m · α] Huecos acristalados Con g, factor solar del vidrio, de fórmula: