Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Francisco Fernández Hernández, Área I+D, Dpto. Proyectos, Airzone
- José Miguel Peña Suárez, Área I+D, Dpto. Proyectos, Airzone
- Mari Carmen González Muriano, Dirección Dpto. Proyectos, Airzone
Resumen
La Comunicación presenta un algoritmo de control del funcionamiento de persianas venecianas y el análisis de la influencia de la regulación de las lamas en la demanda térmica de una vivienda. El estudio se realiza para una vivienda unifamiliar tipo de referencia, con 5 zonas térmicas, situada en la localidad de Málaga. El control se hace sobre una ventana del salón con orientación sur. Se contemplan 7 posiciones de control de la persiana veneciana (en función del ángulo de la lama y si está totalmente bajada o a la mitad). El usuario puede elegir la opción de un control que favorezca la iluminación o el ahorro de energía. El algoritmo de control se diseña en base a las simulaciones de iluminación natural realizadas con Daysim y las simulaciones térmicas realizadas con Trnsys. Los resultados muestran ahorros en la demanda de refrigeración y aseguran el confort visual de los usuarios del edificio.
Palabras clave
Iluminación Natural, Algoritmo de Control, Disminución Demanda Térmica, Confort Visual
Introducción
Los edificios de energía casi nula buscan reducir su demanda de energía principalmente mediante estrategias de diseño pasivo. Los elementos de sombra: toldos, persianas, voladizos, etc., son una de las medidas más importantes en el diseño de edificios sostenibles por el control de las ganancias de calor solares y las condiciones de luz natural (Gomes 2014). En particular, las persianas venecianas son utilizadas en edificios de distinto uso, como elemento de sombra, para reducir deslumbramiento, ganancia solar y mantener la privacidad del usuario.
La posición de las lamas, la distancia entre lamas, las propiedades ópticas, etc., son parámetros de las venecianas que influyen en la demanda térmica del edificio y en la regulación de la entrada de luz natural. S.H.Cho (Cho 1994) analiza el ángulo de lama óptimo, con una reducción del 5 al 30% en la demanda térmica del edificio. En relación a éste, Carletti (Carletti 2016) realiza un estudio experimental con venecianas incluyendo además el análisis de iluminación natural, con ángulos de 45, -45 y 0 grados con respecto a la horizontal, en una vivienda mediterránea. Por otro lado, Olbina (Olbina 2011) destaca la importancia de controlar automáticamente las lamas, frente a las lamas fijas, y establece un sistema de control integrado con la iluminación artificial, mejorando el comportamiento global del edificio.
El presente estudio propone un algoritmo de control que integra el funcionamiento de venecianas en una vivienda, en función de la época del año, para una longitud y latitud dada. Se describe el proceso de modelado del algoritmo, los casos de persiana definidos, los parámetros del modelo y las condiciones de confort. Posteriormente, se expone el caso de estudio y los resultados relacionados con el confort visual, demanda de energía y funcionamiento del sistema en un día típico de verano.
Modelado del algoritmo de control de persianas venecianas
El algoritmo de control de persianas se diseña tomando como referencia los resultados de las simulaciones de iluminación natural del caso de estudio propuesto (apartado 3). El objetivo del algoritmo es establecer un funcionamiento de las persianas que consiga priorizar el confort visual (modo iluminación, M1) o el confort térmico (modo ahorro de energía, M2), en función de los requisitos del usuario.
Se presentan 7 casos diferentes (figura 1). En 3 casos la persiana veneciana está bajada al 50% y los ángulos de inclinación de las lamas son 0º, -45º (hacia abajo) y +45º (hacia arriba), que corresponde a los casos VEN0A, VEN0B y VEN0C, respectivamente. Los otros 3 casos, la persiana veneciana está bajada del todo y los ángulos son los mismos que anteriormente, dando lugar a los casos VEN1A, VEN1B y VEN1C. El último caso sería en el que la persiana está totalmente subida (P1).
Los parámetros del modelo, entradas y salidas son los que se muestran en la figura 2. Los valores de iluminancia de los 7 casos se obtienen de las simulaciones de Daysim. Este modelo se integra en Trnsys para el estudio térmico.
La cantidad de iluminación que deja pasar la persiana veneciana con las lamas en una determinada posición depende fundamentalmente de la posición del sol, por lo que, como entrada, el modelo requiere cierta información relativa a la posición del sol en cada paso de tiempo. La figura 3 representa la carta solar cilíndrica para la localidad de Málaga, con la que se puede conocer la posición relativa del sol, respecto a la ventana, a través del azimut solar y ángulo de elevación, para cada día del año.
La eficacia de sombreamiento de los distintos casos propuestos depende de la época del año. Tras un análisis exhaustivo de los resultados obtenidos en la simulación, se obtienen las siguientes conclusiones:
- Noviembre, diciembre y enero son los meses con la elevación solar más baja (el 21 de diciembre es el día que el sol está más bajo, con un ángulo de elevación de 30º). El orden de los casos más eficientes, de menos a más, es el siguiente:
VEN0C-P1-VEN1C-VEN0A-VENOB-VEN1A-VEN1B
- Mayo, junio, julio y agosto son los meses con la elevación solar más alta (el 21 de junio es el solsticio de verano y es el día en el que el sol está más alto, con un ángulo de elevación de 76º), y el orden de eficacia en estos meses es el siguiente:
VEN0C-VEN0A-P1-VENOB-VEN1C-VEN1A-VEN1B
- El resto de meses: febrero, marzo, abril, septiembre, octubre tienen comportamiento similar:
VEN0C-VEN0A-VENOB-VEN1C- P1-VEN1A-VEN1B
Las premisas de control se fundamentan en comprobar el nivel de confort visual y térmico en la zona y, en consecuencia, ordenar una acción de control sobre la persiana veneciana. Son las siguientes:
- ILUM OK: La iluminancia de la zona es mayor que la consigna de iluminación determinada y menor que la máxima fijada para una iluminancia excesiva.
- OSC: La iluminancia de la zona es menor que la consigna de iluminación.
- DESL: La iluminancia de la zona es mayor que el límite máximo fijado.
- CONF: La temperatura de la zona está en los límites de confort térmicos establecidos.
- DISC: La temperatura de la zona no está en los límites de confort térmicos establecidos.
La tabla I muestra la casuística del algoritmo de control establecida en los tres periodos del año, para el modo de calefacción y refrigeración. En ella se plantea los posibles casos de operación de las persianas y, en función de las premisas de control y del modo prioritario del usuario (iluminación M1 o ahorro de energía M2), se observa si, en ese caso, las persianas se quedan como están (=), van a un estado anterior de menor eficacia de sombra (↑) o van a un estado de mayor eficacia de sombra (↓).
Caso de estudio. resultados
Descripción del edificio
El edificio de estudio es una vivienda unifamiliar situada en la planta intermedia de un bloque de edificios (figura 4), situada en la localidad de Málaga, con una latitud y longitud de (36.76°,-4.54°). Desde el punto de vista lumínico, se va a estudiar solamente el salón, por ser la zona que más tiempo ocupan los habitantes a lo largo del día.
Las dimensiones del salón son 5.5×8 m2 y 2.5 m de altura. Dos de sus paredes dan al exterior: la fachada sur y la fachada oeste, mientras que la norte y la oeste dan a la cocina y el pasillo, respectivamente. La fachada sur tiene una ventana de 2.40×1 m2, lo que supone una superficie acristalada de 17.5%. La ventana es de doble cristal 4-16-4 mm, con una transmitancia visual de 72% y transmisividad térmica de 78%. Las paredes exteriores son de yeso 1.5 cm/ladrillo 9 cm/Aire/lana de roca 4 cm/ladrillo 12 cm/mortero de cemento 1.5 cm, y las interiores de yeso 1.5 cm/ladrillo 7 cm/yeso 1.5 cm.
Se define un plano de trabajo con una altura de 0.85 m, para el que se establece el nivel de iluminación requerido de 500 lux en la zona según la UNE-12464.1. En el plano de trabajo se define una malla de sensores separados, a una distancia de 0.8 m, lo que constituye un total de 72 sensores. Por último, el nivel de iluminación se ha supuesto constante a 5 W/m2, con un control que depende de la iluminancia en el plano de trabajo.
Resultados
A continuación, se muestran los siguientes resultados de las simulaciones:
Día característico de verano. Iluminancia interior y modo de operación
La figura 5 muestra la evolución de la iluminancia media del salón y la posición de la veneciana para un día característico de verano. Se comparan el modo de iluminación (M1, color rojo) y el modo ahorro de energía (M2, color morado) para analizar el comportamiento del sistema en ambos modos.
En ambos casos, cuando el sol empieza a influir en la fachada sur, la persiana se pone en modo VEN0C, ya que al estar el sol a una gran altura, el ángulo de la lama favorece la entrada de luz natural en la zona. La iluminancia media se va manteniendo por debajo de 2000 lux, hasta que llega el instante que puede superar este límite y el comportamiento varía según el modo establecido.
- En el modo M1, el ángulo de la lama gira a 0º primero para bloquear parte de la radiación solar que provocaría deslumbramiento y, posteriormente, cambia a la posición P1, de manera que la iluminancia es la máxima posible de todos los casos sin que se supere el límite máximo. Después, debido a la curva simétrica de la radiación solar, se repiten los casos VEN0A y VEN0C.
- En el modo M2, el aumento de la temperatura de la zona hace que la persiana se ponga en VEN1B, que es el caso más eficiente disminuyendo la iluminancia a valores por debajo de 500 lux (aunque muy cerca), por lo que será necesario la iluminación artificial.
Ahorro de la demanda de climatización
La tabla 2 muestra la demanda de energía del edificio, sin control y con control de persianas, para el modo iluminación y ahorro de energía. Para la demanda de calefacción (enero-abril y octubre-diciembre) y refrigeración (mayo-septiembre) se han establecido unas temperaturas de consigna de 21 y 26ºC, respectivamente.
Los resultados muestran un ahorro en la demanda de energía del edificio en modo refrigeración de hasta un 15%, cuando el sistema se activa en modo ahorro de energía. Se ha comprobado en la figura 5 que no siempre este ahorro de energía en demanda viene acompañado con una iluminancia interior suficiente para satisfacer los requisitos del usuario de forma natural. Por otro lado, destaca el hecho de que, para calefacción, la demanda aumenta respecto al caso sin control. Esto es debido a las situaciones con deslumbramiento, donde la iluminancia de la zona es mayor que el límite superior, se activa un caso de veneciana más efectivo para provocar un sombreamiento y disminuir la iluminancia, afectando negativamente a la demanda de calefacción. Sin embargo, este aumento de demanda sólo es de aproximadamente el 3%.
Conclusiones
Se ha expuesto un algoritmo de control de persianas venecianas con el objetivo de mejorar el comportamiento térmico de un edificio favoreciendo la iluminación natural y la disminución de la demanda térmica. Las simulaciones han permitido determinar qué casos son los más eficaces en función del ángulo de elevación solar. Los resultados obtenidos demuestran un comportamiento adecuado del sistema y cómo, en el modo iluminación se fomenta la iluminación natural máxima por debajo del límite superior establecido por el usuario y, en el modo ahorro de energía, se consigue una reducción del 15% de la demanda de refrigeración del edificio, debido fundamentalmente a la mitigación de la radiación solar.
Referencias
M.G. Gomes, A.J. Santos, A.M. Rodrigues. Solar and visible optical properties of glazing systems with venetian blinds: numerical, experimental and blind control study. Building and Environment 71 (2014), 47-59.
S.H. Cho, K.S. Shin, M. Zaheer-Uddin. The effect of slat angle of windows with venetian blinds on heating and cooling loads of buildings in South Korea. Energy 20 (1995) 1225-1236.
C. Carletti. Thermal and lighting effects of an external venetian blind: Experimental analysis in a full scale test room. Building and Environment 106 (2016) 45-56.
J.Hu, S. Olbina. Illuminance-based slat angle selection model for automated control of split blinds. Building and Environment 46 (2011) 786-796.
DAYSIM. http://www.daysim.com (último acceso 15.01.17).
TRNSYS 17. http://sel.me.wisc.edu/trnsys/ (último acceso 15.01.17).