Sistema constructivo : panel para fachada ventilada con mini aljibe, para enfriamiento evaporativo pasivo estacional
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2017
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E.T.S. Arquitectura (UPM)
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La envolvente de la edificación es el principal elemento responsable del acondicionamiento térmico. La mejora de sus prestaciones reduce el consumo de los sistemas de climatización con repercusiones económicas y medioambientales. El horizonte normativo que apunta hacia edificios de "energía casi nula" obliga a replantear tanto las estrategias de diseño como elementos constructivos empleados anteriormente y buscar soluciones que permitan alcanzar el confort con consumos energéticos prácticamente nulos. Según el clima y el uso del edificio, la demanda de refrigeración puede igualar o superar a la de calefacción. Una de las estrategias tradicionales de refrigeración en climas cálidos y secos ha sido el enfriamiento evaporativo. Actualmente este principio sigue utilizándose, aunque la mayoría de sistemas para la generación de frío se basan en la compresión mecánica de gases nocivos para la atmósfera, con un mayor gasto eléctrico que los sistemas evaporativos. Como conclusión del análisis medioambiental se señala el problema de la "huella hídrica evaporativa" que producen tanto las superficies urbanizadas como la gestión del agua y son co-responsables del cambio climático. Asimismo se explican los beneficios que tendría el uso generalizado de los sistemas evaporativos para el balance energético de la atmósfera y el calentamiento global. En el capítulo del estado del arte se han estudiado los sistemas de envolvente que incorporan enfriamiento evaporativo tanto tradicionales como actuales, así como el tipo de ensayos realizados sobre los mismos, proponiendo la clasificación: "fluyentes" o "con acumulación" según retengan o no el agua. También se han analizado las ventajas e inconvenientes de cada sistema, concluyendo en un conjunto de características que debería de incluir un sistema ideal de fachada con enfriamiento evaporativo. Tras el análisis de la tecnología existente se pone de manifiesto que la mayoría no han sido testados en exteriores en condiciones reales, con la interacción de factores tan relevantes como la radiación solar y que no existe ningún sistema que incluya todos las características deseables. La Tesis investiga una solución constructiva de fachada ventilada que colabore en la refrigeración estacional del edificio y su entorno basado en el enfriamiento evaporativo, empleando fundamentalmente mortero de cal hidráulica. El panel propuesto se caracteriza por unos depósitos interconectados de paredes porosas en los que se produce la evaporación, protegidos de la radiación solar por unos canales verticales denominados alveolos a modo de fachada ventilada cuya hoja exterior, también de mortero de cal, presenta propiedades radiantes ideales como son una alta emisividad en el espectro infrarrojo y un albedo que refleja un gran porcentaje de la radiación solar. Estas soluciones, unidas a mecanismos basados en la adaptación de la naturaleza a climas cálidos, se combinaron en un panel que patenté en 2015. A pesar de ser un sistema pasivo, la patente presenta una gran complejidad con diferentes mecanismos que interactúan entre sí como la variación estacional de la tonalidad, la atenuación de la contaminación atmosférica, la vegetación del panel o la creación de patrones ópticos que repelen insectos, cuya demostración no era abarcable en una sola tesis doctoral. La necesidad de acotar la investigación me obligó a centrarme en el enfriamiento evaporativo, por ser el elemento fundamental del sistema de refrigeración. La tesis concluye con la fabricación de prototipos de mortero de cal, que son una simplificación de la geometría de la patente, sobre los que se demuestra la validez de las hipótesis planteadas. El panel propuesto se ha validado mediante experimentos tanto en probetas simples como en prototipos a escala real, llevados a cabo en condiciones controladas así como en exteriores en sucesivas hipótesis de funcionamiento. Se han registrado las temperaturas alcanzadas por las superficies de los prototipos, el aire en el interior y exterior de los alveolos, el agua de los depósitos, así como la tasa de descenso de su nivel por evaporación entre otros valores. El flujo energético se ha calculado tanto por la potencia frigorífica del cambio de fase del agua como por la variación de entalpía del aire en los alveolos. Para conocer el funcionamiento del panel con todas las variables que implican las condiciones reales exteriores, se ha calculado la variación de densidad del aire y el empuje en el interior de los alveolos por medio de de las relaciones psicrométricas del aire, permitiendo determinar con precisión la dirección del flujo de aire en función del tiempo. Finalmente se ha calculado la eficiencia evaporativa según los estándares formulados por otros autores. Los resultados obtenidos señalan que la hoja exterior de mortero de cal reduce enormemente la influencia de la radiación solar. El mortero de cal hidráulica armado es un material viable para la elaboración de los depósitos de los paneles evaporativos por su permeabilidad al vapor y resistencia al agua. La potencia refrigerante ha alcanzado los 479 W/m² en condiciones exteriores estivales, reduciendo la temperatura de su cara interior hasta en 14 ⁰C respecto a la del entorno. La autonomía de los depósitos es de 3 días, pero el efecto refrigerante se prolonga 3 días más gracias a la inercia térmica y el agua embebida en la estructura porosa. Los prototipos han demostrado una gran eficiencia de saturación tanto en condiciones reales estivales como en entornos controlados con una gran humedad relativa. ABSTRACT The building enclosure is the main element in thermal conditioning. Improving its performance reduces energy consumption of air conditioning systems with subsequent benefits to economy and environment. The regulatory framework aimed to "nearly zero-energy buildings" forces to reconsider both current design strategies and construction details, searching for new solutions to achieve thermal comfort and almost zero consumption. Depending on the climate and usage of the building, the cooling demand may reach and even overcome heating consumption. Evaporative cooling has been a traditional cooling system in hot dry climates for ages. This principle is still in use nowadays, although most systems for cold generation are based on the mechanical compression of harmful gases exhausted directly into the atmosphere and also boast higher power consumption than evaporative systems. As a conclusion to the environmental analysis, the issues of the "evaporative water footprint" in urban areas and water management are both highlighted as co-responsible for climate change, reporting the potential benefits of the widespread use of evaporative cooling in the atmosphere's energy balance and in the fight against global warming. Current and traditional systems of evaporative cooling enclosures and their testing are discussed in the state of the art chapter, suggesting the following classification: "flowing" or "accumulation" systems, according to water retention. A set of features an ideal evaporative cooling façade should comprise has been proposed after considering the advantages and disadvantages of both systems. A comprehensive analysis of the technologies available today has yielded the conclusion that most of them were not tested in real outdoor conditions, exposed to the effects of such relevant factors as solar radiation, and that there is no system available today comprising all desirable characteristics. This thesis examines a ventilated façade constructive solution that collaborates in the seasonal refrigeration of the building and its environment, based on evaporative cooling using essentially lime mortar. The proposed panel is comprised of small connected cisterns with pore walls were evaporation takes place. Those tanks are shaded by vertical ducts, called alveolus, working as ventilated façade whose external layer of lime mortar features ideal radiant properties, as high infrared emissivity and albedo, reflecting most of the solar radiation received. These solutions, along with other mechanisms based on the adaptation of nature to hot climates, were combined into a panel patented in 2015. Whilst being a passive system, the patent boast great complexity due to the interaction of diverse mechanisms, such as seasonal brightness variation, atmospheric depuration, panel vegetation or generation of optic patterns to repel insects pests, whose demonstration couldn't be grasped into one single thesis. The need to narrow the field of investigation forced to focus the thesis on evaporative cooling, as it was the main refrigeration system. This thesis concludes with the testing of lime mortar prototypes with a simplified patent geometry in order to validate the proposed hypotheses. The proposed panel has been validated testing simple probes and real scale prototypes in both controlled and real outdoor conditions on different operating modes. The temperatures reached in the prototype surface, alveolus and outdoor air and water cisterns were recorded, as well as the decrease ratio of evaporated water level, among other values. The energy flow was calculated both with the cooling output of the water change-phase and the enthalpy variation on inner alveolus air. In the interest of determining the performance of the panel with all variables of outdoor real conditions, dense variation and thrust on inner alveolus air have been calculated by means of air psychrometrics relations, allowing to precisely establishing flow direction according to the time and weather conditions. Finally, evaporative performance has been calculated as stated by other authors' standards. The obtained results underscore that a lime mortar external layer highly reduces the influence of solar radiation. Reinforced lime mortar is a viable material to manufacture an evaporative panel cistern, as it is permeable and water resistant. The cooling power reached 479 W/m² in summer outdoor conditions, reducing up to 14 ⁰C the total temperature between the internal layer and the outside. The range of cisterns is 3 days, but the cooling effect extends 3 more days due to thermal inertia and the water soaked in pore cistern walls. Prototypes have demonstrated high saturation efficiency in summer outdoor real conditions and in high relative humidity controlled environments.
Keywords
Arquitectura