Predicting the contribution of water flow glazing to nearly zero energy buildings by means of validation of analytical and numerical models, through experimental data

• Autores: Belén Moreno
• Directores de la Tesis: Benito Lauret Aguirregabiria (dir. tes.) , Juan Antonio Hernández Ramos (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
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• Resumen

  • El sector de la construcción representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea. La UE aspira a ser neutral desde el punto de vista climático para 2050, una economía con cero emisiones de gases de efecto invernadero. La importancia de la eficiencia energética en los edificios es innegable; El sector inmobiliario es un activo de inversión en crecimiento que proporciona empleo, ingresos y constituye una parte importante del producto interior bruto de las economías nacionales. En las últimas décadas los arquitectos han recurrido al vidrio para lograr no solo un alto grado de luz natural, uniformidad exterior y una estética atractiva, sino también proyectos con elevado rendimiento térmico. Los materiales transparentes utilizados en las envolventes de edificios contribuyen a aumentar las cargas térmicas de calefacción y refrigeración de un edificio. El uso del vidrio requiere resolver problemas relacionados con la ganancia y pérdida de calor, así como con la luz natural. El acristalamiento de flujo de agua (WFG) es una tecnología disruptiva que incluye vidrio como parte del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El agua es transparente a las longitudes de onda visibles, aunque captura la mayor parte de la radiación solar infrarroja. Como alternativa a los sistemas HVAC basados en combustibles fósiles, la energía absorbida puede transferirse a un depósito de inercia para su uso posterior o disiparse como un medio de enfriamiento evaporativo.

    Esta tesis contribuye al campo de las fachadas avanzadas de edificios mediante la aplicación de la investigación experimental de las envolventes WFG, que gestionan activamente el flujo de energía y la transferencia de calor entre el edificio y su entorno exterior. Para evaluar esta característica dinámica de las fachadas WFG, se aplica una metodología robusta basada en modelos matemáticos simplificados que predicen el comportamiento térmico de la envolvente WFG. Los datos de simulación se compararon con los datos reales de los distintos prototipos construidos. Los demostradores analizados enriquecieron la metodología por estar construidos en diferentes ubicaciones y orientaciones. Algunos de los demostradores eran prototipos a escala y otros edificios reales, tanto de obra nueva como de rehabilitación. Además, también se evaluaron diferentes estrategias energéticas y composiciones de vidrio, como la absorción y la reflexión de la energía solar.

    El hallazgo más relevante de esta investigación verifica la condición dinámica de los sistemas WFG a través los valores de U y de g variables. En la fachada sur del prototipo Sofia, el valor U vario´ de 1.041 a 0.066, mientras que el factor g vario´ de 0.592 a 0.24 con caudal másico de 0 L/m2 min o 2 L/m2 min. Además, la tecnología WFG se puede integrar con bombas de calor de agua - agua o aire - agua, lo que proporciona un incremento del coeficiente de rendimiento (COP) de la máquina. El prototipo de DMAIA mostró un COP mejorado pasando 2,90 a 3,62, con una temperatura exterior de 35◦C y una temperatura de la cámara de agua de 18◦C..

    La principal conclusión de esta tesis es que la envolvente WFG contribuye a la eficiencia energética, reduciendo las emisiones de CO2 y aumentando el confort en el interior de los edificios acristalados. La evaluación del ciclo de vida de los sistemas WFG mostro´ consistentemente una mayor inversión inicial que el acristalamiento tradicional. El coste final del ciclo de vida demostró´ que los sistemas WFG solo mejoran al doble acristalamiento tradicional durante la fase de operación. Sin embargo, una evaluación energética del ciclo de vida a lo largo de 50 años concluyo´ que se podrían lograr ahorros de energía entre el 36% y el 66% y una reducción de las emisiones de CO2 entre el 30% y el 70%. Finalmente, la conclusión más llamativa reveló que el confort térmico se podría conseguir mediante superficies radiantes WFG, con temperaturas interiores entre 25 y 27◦C. La temperatura media radiante oscilo´ entre 18 y 22◦C, y la opinión media estimada oscilo´ entre -0,5 y +0,1, clasificado en la escala térmica como “Ligeramente frío”. En general, esta tesis ha demostrado que un conjunto de ecuaciones algebraicas de un modelo matemático simplificado ayuda a los arquitectos e ingenieros a comprender el comportamiento complejo de las envolventes WFG dinámicas en una etapa temprana del proyecto. Una posible investigación futura podría desarrollar un modelo matemático completo y su integración en softwares comerciales para validar la hipótesis en un estado transitorio a lo largo de los años.