Optimización de la fachada de doble piel acristalada con ventilación natural. Metodología de diseño para el análisis de la eficiencia energética del sistema
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2017
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E.T.S. Arquitectura (UPM)
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En los últimos años, el interés por las fachadas de doble piel acristaladas ha aumentado por razones estéticas y por su uso como sistema pasivo para el ahorro de energía. Algunos autores han investigado su comportamiento en relación con el rendimiento térmico y con la eficiencia energética en comparación con la fachadas simple piel pero considerando solamente la cámara de aire. El objetivo de esta tesis es identificar una configuración de fachada de doble piel acristalada que optimice la eficiencia energética del edificio y que permita unas condiciones interiores de confort óptimas estudiando su comportamiento tanto en el caso dominado por convección natural como por viento, y la transferencia de calor incluyendo la radiación solar, en comparación con una fachada simple piel. Se ha desarrollado una metodología de diseño para analizar la eficiencia energética del sistema de fachada de doble piel acristalada con ventilación natural para el caso de un edificio de una planta, en dos dimensiones, con un tipo concreto de vidrio y en la zona centro de España, en particular en Madrid; pero esta metodología es extrapolable a un edificio de mayor altura, en tres dimensiones, con otros tipos de vidrios y en diferentes localizaciones. Se simula un modelo simplificado utilizando un software de dinámica de fluidos para realizar una investigación más extensa en la que el modelo se analiza de forma más amplia: el ambiente exterior, la cámara de aire, el ambiente interior; variando la geometría: esbeltez de la cámara, cámara abierta y cerrada, tamaño de las aberturas; y bajo diferentes configuraciones: condiciones de invierno y verano, con radiación solar y sin ella, con viento en la fachada de barlovento y de sotavento bajo diferentes velocidades. En todas las situaciones se estudian y analizan los fenómenos que tienen lugar desde el punto de vista de la distribución de temperaturas, transferencia de calor y comportamiento del flujo de aire. Los resultados muestran que existe una esbeltez óptima de cámara de aire que además aumenta la superficie útil por ser un ancho de cámara moderado. Los principales resultados obtenidos son que en invierno siempre es eficiente mantener la cámara cerrada alcanzándose hasta el 75% de ahorro de energía. En verano, mantener la cámara cerrada es eficiente en ausencia de radiación solar alcanzándose hasta el 65% de ahorro de energía, pero en presencia de radiación solar abrir la cámara es más favorable produciéndose un ahorro del 4% de energía respecto de la fachada de simple piel y de un 5,4% respecto a mantenerla cerrada. En presencia de viento el ahorro de energía es, en general, mayor respecto a la fachada de simple piel, aunque, como era de esperar, el aislamiento térmico es algo menor respecto del caso sin viento. Se concluye que la fachada doble piel acristalada reduce el consumo de calefacción y de refrigeración de un edificio siendo bastante más eficiente energéticamente en comparación con la fachada simple piel. ABSTRACT In recent years, the interest in double skin facades has increased because of aesthetic reasons and for its use as passive system to save energy. Some authors have investigated their behavior related to thermal performance and energy efficiency compared to single skin facades but only considering the air cavity. The aim of this thesis is to identify a more efficient double glazed facade configuration that optimizes energy efficiency and indoor comfort conditions in buildings studying natural ventilation due to buoyancy-driven flow and wind pressure, and heat transfer including solar radiation compared to a single skin facade. A design methodology for the energy efficiency analysis of the double skin glazed facade system with natural ventilation has been developed for the case of a 2D one-story building with a specific glass, in the center of Spain, in particular in Madrid; but this methodology can be extrapolated to a 3D multi-story building with others types of glass and at different locations. A simplified model was simulated using a computational fluid dynamics software to perform a more extensive research where the model is broadly analyzed: outside environment, air cavity and inside environment; varying the geometry: cavity width with closed and opened cavity vents, vents size; and under different configurations: winter and summer conditions, with and without solar radiation, wind on the windward and on the leeward facade and with different wind speeds. In all situations, the phenomena that take place from the point of view of temperature distribution, heat transfer and airflow characteristics, are studied and analyzed. Results show that an optimum aspect ratio exists which also increases the gross internal area for being a moderate air cavity width. The main results obtained are that in winter closed vents is always efficient reaching up to 75% of energy savings. In summer closed vents is efficient in the absence of solar radiation reaching up to 65% energy savings, but in its presence opened vents is more favorable producing an energy saving of 4% compared to a single skin facade and a 5.4% compared to keep them closed. In the presence of wind the energy saving is greater in general compared to single skin facade, although, the thermal insulation is somewhat lower compared to the buoyancy-driven flow situation, as expected. It was concluded that these double skin facades reduce the heating and cooling consumption of a building, being considerably more efficient compared to single skin facades.
Keywords
Arquitectura