Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Carlos García-Gáfaro, Personal investigador, Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco, UPV/EHU
- Imanol Ruíz de Vergara Ruíz de Azúa, Personal investigador, UPV/EHU
- Iván Flores Abascal, Profesor, UPV/EHU
- Cesar Escudero Revilla, Personal investigador, UPV/EHU
- Juan Maria Hidalgo Betanzos, Personal investigador, UPV/EHU
- Eider Iribar Solaberrieta, Personal investigador, UPV/EHU
Resumen
Para alcanzar el objetivo de construir edificios de consumo casi nulo es necesario desarrollar envolventes no sólo aisladas térmicamente, de forma que se reduzcan las pérdidas de calor del ambiente interior, sino que también es necesario que esas envolventes participen en el propio sistema de climatización. En el presente trabajo se estudian algunas soluciones de fachadas activas como sistemas con gran potencialidad para la captación de la energía solar que incide sobre la envolvente de los edificios, como la fachada ventilada, muros trombe, ventanas activas, muros de agua, PCMs, etc. El correcto diseño de dichos sistemas requiere ajustar distintos parámetros activos que intervienen en su comportamiento energético. Sin embargo, son pocos los datos disponibles sobre el comportamiento real de estos diseños. Para cuantificar los resultados, se analizan mediante unas herramientas de medida de soluciones activas, denominadas celdas PASLINK, que permiten estudiar este tipo de fachadas y se muestran algunos ejemplos de ensayos realizados.
Introducción
Las políticas para la reducción del consumo energético en la edificación implican la consideración de la climatología local, las condiciones del ambiente interior y la relación costo-eficiencia (Directiva 2010/31/EU). Para la adecuación de las fachadas a las condiciones locales es preciso conocer el comportamiento higro-térmico real en condiciones exteriores y caracterizar los parámetros termo-físicos implicados.
Los sistemas activos innovadores pueden presentar diferencias sensibles entre el comportamiento teórico calculado según los procedimientos habituales y el real. A menudo es debido a las simplificaciones de cálculo, un problema que puede ser corregido por medio de ensayos en condiciones reales. Es aquí donde la metodología PASLINK (Wouters and Vandaele 1994) ha mostrado ser una herramienta muy poderosa en este tipo de caracterizaciones, una técnica que a su vez constituye una evolución basada en la larga experiencia obtenida durante el proyecto inicial PASSYS en el que un grupo de trabajo europeo exploró el diseño y desarrollo de un dispositivo para la estandarización de ensayos de caracterización térmica de elementos de la edificación en exteriores.
La metodología de ensayo PASLINK
Desde mediados de los años 80 hasta mediados de los años 90 se ejecutó el proyecto europeo PASSYS (Passive Solar Systems and Component Testing) implicando hasta 11 paises con el objetivo de realizar
ensayos de caracterización en exteriores que incorporaran un completo conjunto de procedimientos relativos a la tecnología aplicada, operativa de mediciones y técnicas de tratamiento de datos, que aseguraran la calidad de los estudios realizados. El concepto base era una célula de ensayos PASSYS, una estructura muy aislada de 8 x 2,7 x 2,7 m con dos espacios. La “habitación de ensayos” orientada al sur de 5,0 x 2,7 x 2,7 m y la “habitación de servicio” en el lado norte y dedicado a los equipos de adquisición de datos y de acondicionamiento del aire de la habitación de ensayos.
Mejora de la célula PASSYS y la red Paslink
El calor a través de la envolvente de la habitación de ensayos no era controlable ni medible con facilidad. La siguiente fase, fue la red con carácter de grupo de interés económico europeo PASLINK EEEIG que buscaba reducir el tiempo de ensayos y mejorar la calidad de los resultados. Aunque se mantuvo la misma configuración de célula, se propusieron dos alternativas de mejora para mantener el calor a través de la envolvente bajo control. Una alternativa se denominaba “Pseudo-Adiabatic Shell (PAS)” que buscaba compensar las pérdidas de calor con una capa interior calefactada, mientras que la otra se denominaba “Heat Flux Sensitive Tiles (HFS Tiles)” que consistía en recubrir toda la envolvente en sus caras interiores con dispositivos medidores de flujo de calor de gran sensibilidad. Actualmente toda la experiencia de la red Paslink ha sido integrada en el grupo informal europeo DYNASTEE (“DYNamic Analysis, Simulation and Testing applied to the Energy and Environmental performance of buildings”), cuyo objetivo es la integración de sectores multidisciplinarios que permitan un acercamiento cohesivo entre los trabajos dedicados a la predicción del comportamiento termofísico de los edificios y las Directivas de Optimización Energética (J. J. Bloem 2010).
Eguzki e ilargi, las células Paslink del LCCE
En nuestro entorno se han habilitado dos células Paslink, concretamente en las instalaciones del Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco (LCCE) en Vitoria-Gasteiz, denominadas célula EGUZKI y célula ILARGI. La célula Eguzki puede ensayar elementos de fachada verticales de 2,7 x 2,7 m, mientras que la célula Ilargi puede ensayar tanto elementos verticales de 2,7 x 2,7 m, como elementos de cubierta plana horizontal de 3,7 x 2,1 m. Estas células provienen de un antiguo centro europeo de ensayos PASSYS, y han sido completamente renovadas controlando la solución de puentes térmicos, el aseguramiento de estanqueidad, la actualización en instrumentación y la adaptación a la metodología PASLINK mediante la técnica de los medidores de flujo de calor interior “HFS Tiles”. Han cumplido con los procedimientos de calibración establecidos por la red Paslink, y en ellas se ha ejecutado un ensayo de intercomparación denominado IQ-Test, con resultados contrastables respecto a otros centros europeos.
Procedimiento de un ensayo Paslink
La estrategia de ensayo se basa en una rutina de aporte de calor de calefacción al interior de la habitación de ensayo siguiendo un perfil aleatorio, conocida como ROLBS (van Dijk and Téllez 1995). Antes de ello se deja un breve periodo de estabilización de un par de días en el que solo funciona un pequeño ventilador que mueve el aire interior de la célula. Los intervalos de aportación de calor para la rutina ROLBS pueden durar días, horas o intervalos de media hora. Esta variabilidad buscar desacoplar la respuesta térmica de la muestra en ensayo de la respuesta propia de resto de la célula. El aporte de calor debe ser tal que se mantengan diferencias entre el interior de la célula de ensayos y el ambiente exterior del orden de ΔT≥20ºC. Los patrones ROLBS también consiguen prevenir la superposición entre factores que actúan como inputs en la fase de creación del modelo de la muestra. Un claro ejemplo de esto es la correlación entre el salto térmico entre temperaturas ambiente interior-exterior y la radiación solar. Si estos dos componentes quedan conectados, sería difícil en el modelo determinar si la componente dominante de la transferencia de calor es resultado de un proceso de conducción-convección o una ganancia solar.
Una adecuada estrategia de control de la habitación de ensayos mejora la capacidad de validar el ensayo y el modelo resultante por medio del estudio de identificación de parámetros, junto con un riguroso seguimiento de las incertidumbres asociadas a la medición, tanto sistemático como aleatorio. Por tanto, las bases de un procedimiento de ensayo y su posterior modelamiento y validación de resultados pasan por un periodo previo de estabilización de la célula entera, un salto térmico representativo interior-exterior y obtener el máximo desacoplamiento entre las principales variables en estudio.
Método de identificación de parámetros
La última parte del proceso de caracterización térmica mediante una célula Paslink es la determinación de los principales parámetros y propiedades térmicas de la muestra en estudio. En general, los valores de interés para componentes opacos son la resistencia térmica R (m2K/W), y la capacidad térmica C (J/Km2), y en el caso de componentes semitransparentes, además la ganancia solar g. Las herramientas que se usan en esta etapa son el software LORD –LOgical R-Determination– (Gutschker 2004), y el software CTSM –Continuous Time Stochastic Modelling– (Madsen 2008). Ambos están basados en modelos de caja gris donde los parámetros de interés son determinados a través de ecuaciones diferenciales ordinarias de los fenómenos de transmisión de calor aplicados a modelos de parámetros concentrados.
Ejemplo de la metodología Paslink aplicada a un muro base.
Para mostrar con detalle los pasos del procedimiento descrito en una aplicación práctica, se toma el caso de un estudio llevado a cabo con un muro base antes de su rehabilitación térmica. Está formado por dos hojas de fábrica de ladrillo, la interior de ladrillo hueco sencillo y la exterior de ladrillo perforado, con cámara de aire de 5 cm de espesor, enlucido de yeso en la cara interior y revoco de mortero de cemento en la cara exterior. En la figura se aprecia el proceso de construcción de la muestra y su aspecto montada en la cara sur de la célula de ensayos Paslink (Célula Eguzki del LCCE). A partir de los datos registrados se realiza un modelo teórico, teniendo en cuenta el periodo de estabilización y la rutina de aporte de calor ROLBS. La validación del modelo se lleva a cabo por medio del estudio de covarianza tanto para los parámetros evaluados como sus residuales, obteniéndose el valor final de los parámetros del muro base. Para este ejemplo se ha obtenido un valor total de resistencia térmica entre las caras interior y exterior del muro base de Rt = 0,513 ± 0,03 (m2K/W) y una capacidad térmica por unidad de superficie de Ct = 0,1586 ± 0,01 (MJ/Km2). En la figura se muestran los patrones de residuales para los vectores de los diferentes parámetros, en la que es claramente visible a existencia de un mínimo absoluto.
La existencia de este valor mínimo y la capacidad de detectarlos denota la contundencia y precisión del proceso entero de medida, en otras palabras: la calidad de ensayo y la calidad del modelo.
Fachadas activas caracterizadas
Muro Trombe
El objetivo era analizar las diferentes formas de captación solar y almacenamiento térmico en su importante masa de muro. El vidrio exterior del prototipo ensayado tenía propiedades bajo emisivas y las rejillas permitían diferentes configuraciones para la cortina de aire. En la figura se muestran el prototipo y los resultados, la gráfica superior corresponde a la radiación incidente (rojo) y la ganancia de calor en la cámara de aire (azul), comprobándose que esta ganancia no es nula incluso cuando la radiación no alcanza el muro. La gráfica inferior corresponde a velocidades del aire a diferentes alturas en la cámara de aire.
Fachada ventilada opaca
En la Figura 9 se muestra este ensayo en el que se buscaba determinar la capacidad de aporte energético de la fachada en apoyo al sistema de climatización, a partir del calentamiento del flujo de aire que atravesaba su cámara interior, gracias a la absorción de radiación solar. En invierno el aire que pasa a través de la fachada es ingresado al edificio mientras que en verano es evacuado al exterior. Para este estudio, la célula estuvo provista de un sistema de impulsión que capturaba el aire de la cámara ventilada a través de unas tolvas superiores. De esta forma se consiguió un adecuado control y estabilización del flujo que permitiera mediciones más precisas. Las gráficas muestran las variaciones del flujo de aire en la cámara ventilada (en azul) con la correspondiente radiación solar incidente (en naranja).
Fachada ventilada con PCM
En la Figura 10 se muestra una fachada ventilada con la particularidad de que usa materiales con cambio de fase (PCM) en su hoja exterior, incrementando su capacidad de captación solar y empleando tanto el calor residual como el desfase en la onda térmica tanto para calefacción en invierno como para reducción de ganancia solar en verano. El efecto del viento en la entrada inferior de la fachada es eliminado mediante un buffer protector. Las gráficas de temperatura en la hoja exterior muestran claramente el intervalo de cambio de fase del material de relleno y las variaciones del flujo de aire asociado en el interior de la cámara.
Fachada ventilada pesada
Se trataba de un prototipo para construcción industrializada. El objetivo era evaluar el efecto de la alta inercia térmica de la hoja exterior en la carga energética de la fachada. Asimismo se valoraba el efecto del viento en el interior de la cámara. Los datos registrados se han usado para validar un modelo de dinámica de fluidos computacional CFD, empleado posteriormente para un estudio de sensibilidad variando los anchos de cámara y dimensiones de abertura de paso. La gráfica muestra la variación del flujo de aire en la cámara ventilada (en azul) y la diferencia entre la temperatura de entrada y salida (en naranja).
Discusión y conclusiones
Los ejemplos expuestos demuestran la capacidad de la metodología Paslink en la caracterización térmica fiable y detallada de sistemas de fachada o cubierta activas, tanto a nivel descriptivo del comportamiento registrado en diversas variables, como a nivel cuantitativo a partir del modelamiento validado a partir de los datos, empleando la técnica de parámetros concentrados. Todo esto con calidad y precisión debido a los requerimientos en equipos y procedimientos establecidos desde la extensa experiencia de los proyectos europeos que dieron origen a esta metodología. La caracterización térmica en condiciones dinámicas exteriores es un recurso necesario a tener en cuenta en la valoración de los elementos activos y más aún si son innovadores, los cuales se espera formarán parte habitual de los edificios de bajo consumo proyectados en los próximos años.
Reconocimientos
Este estudio se enmarca dentro del convenio de colaboración entre el Gobierno Vasco y la Universidad del País Vasco, que desarrolla el Área Térmica del Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco.
Referencias Bibliográficas
- Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings. Official Journal of the European Union L 153, 18.6.2010, p. 13–35.
- Erkoreka, A., Escudero, C., Flores, I., Garcia, C., Sala, J.M. (2010). Upgrading and calibration of two PASLINK test cells. Evaluation through the “IQ-TEST” round-robin test. In: DYNASTEE workshop on Dynamic Methods for Building Energy Assessment Proceedings. Brussels: DYNASTEE.
- Gutschker O. (2004) LORD – Modelling and identification software for thermal systems, user manual. Germany: BTU Cottbus.
- J.J. Bloem, P. H. Baker, P. Strachan, H. Madsen, L. Vandaele. (2010) DYNASTEE – Dynamic Testing, Analysis and Modelling. In: Papaglastra and Wouters. Ed. 2010. Stimulating increased energy efficiency and better building ventilation. Leading actions coordinated by INIVE eeig and sources of other relevant information on EU level and IEA ECBCS projects. Brussels: INIVE EEIG. pp. 473-496.
- Madsen, H. (2008) Time series analysis. Boca Raton: Chapman & Hall/CRC
- Vandaele L. and Wouters P. 1994. The PASSYS Services, Summary Report. BBRI and EC DG XII. Brussels, EUR 15113 EN.
- Wouters P. and Vandaele L. 1994. PASSYS, COMPASS, PASLINK: a European approach for the full-scale evaluation of thermal and solar performances of building components. Proc. Of the European Conf. on Energy Performance and Indoor Climate in Buildings, Lyon, pp. 29-36.