Transcript Metodo_Prediseniox - Universidad Nacional de Salta
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METODO DE PREDISEÑO
TERMICO DE EDIFICIOS CON
APROVECHAMIENTO SOLAR
Dr. Alejandro L. Hernández
INENCO – Instituto de Investigaciones en Energía No
Convencional
UNSa - Universidad Nacional de Salta
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DISEÑO DE EDIFICIOS SOLARES PASIVOS
DISEÑO
ANALISIS
BIOCLIMATICO
GENERAL
DIMENSIONADO
INICIAL
(PREDISEÑO)
DIMENSIONADO
FINAL
Esquema inicial
del proyecto
Dimensionadofinal
detallado
Relevamiento de
Datos meteorológicos
Clasificación bioclimaTica del clima local
Análisis del acondicionamiento no convencional
Selección de sistemas
no convencionales
Determinación de las
Necesidades higrotérmic
Dimensionado inical de
las areas de colección
Dimensionado inical
de la acumulación
Análisis económico:
Grado de sustitución
de fuentes no conven.
Selección de métodos
constructivos
Análisis económico
Final:
a) Grado de sustitución
b) Amortización del
sobrecosto
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DIMENSIONADO INICIAL DE LOS SISTEMAS PASIVOS
El método de prediseño dimensiona los sistemas pasivos poniendo énfasis en dos
aspectos básicos:
El primero determina sus áreas de colección aprovechando el recurso solar al máximo
sin llegar a producir disconfort por sobrecalentamiento. Se realiaza un primer
dimensionado de las áreas de colección de manera que en los días soleados se obtenga
una temperatura media del edificio aceptable para las personas. Esto significa que en
los días poco soleados el sistema no dará un aporte energético suficiente.
El segundo determina las masas de acumulación a colocar en el interior del edificio
con el fin de que las variaciones diarias de su temperatura sean tolerables (~5 °C).
Estas variaciones son producidas por la variación de la temperatura externa a lo largo
de las 24 hs. y sen incrementadas por la incorporación de energía durante las horas de
sol por parte de los colectores.
Es aplicable a edificios de un solo local por lo que, si el diseño original es
multiambiente, deben ignorarse las divisorias interiores y considerarse solamente las
fachadas, conservándose el volumen total del edificio. Con esta simplificación se
obtendrá una única temperatura media para todo el edificio. O bien se puede trabajar
con cada local por separado, incluyendo como paredes sólo las que dan al exterior.
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
El primer dato a evaluar para el estudio de los tres aspectos ya definidos, es la pérdida
de calor del edificio por cada grado centígrado de elevación de su temperatura interna
respecto al ambiente la que recibe el nombre de carga térmica unitaria (CTU).
Los datos del edificio necesarios para el cáculo son:
1)
Superficies en m2 de paredes externas, Ap y techo, At.
2)
Superficie total en m2 de ventanas, Av y número de vidrios nv.
3)
Perímetro de la fundación en m, P.
4)
Volumen del edificio en m3, V.
5)
Coeficientes globales de transmisión térmica en W/m2 °C de techo, Ut, pared, Up
y perímetro Upt. Estos valores son los complexivos de conducción y convección.
6)
El número de renovaciones de aire por hora, RH. Este valor depende del tipo de
carpintería usado oscilando entre 1 para una buena hasta 4 para una mala. Para
ciertos locales existen normas sobre el número de renovaciones necesarias por
razones higiénicas pero en general, por razones térmicas, se tenderá a hacer éstas
mínimas.
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
Las pérdidas diarias por cada concepto son:
a)
Paredes:
Qp = 24 x 3,6 x Up x Ap (en KJulios/día °C)
b)
Techos:
Qt = 24 x 3,6 x Ut x At
c) Ventanas:
Qv = 24 x 3,6 x (5,6 / nv) x Av
d)
Perímetro:
Qpt = 24 x 3,6 x Upt x P x L
e)
, con L = profundidad de aislación.
Infiltraciones:
Qi = 24 x RH x RO x V (en KJulios/día °C),
donde RO es la densidad del aire a 20 °C y a la presión del lugar.
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
Altura en m.s.n.m
RO = RDD x 1,20 (Kg / m3)
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
El valor de la carga térmica unitaria se obtiene sumando los distintos aportes:
CTU = Qp + Qt + Qv + Qpt + Qi
TEMPERATURA INTERIOR PROMEDIO DE DÍA CLARO
Un primer dimensionado de las áreas de colección a utilizar se realiza sobre la base de
obtener una temperatura media del edificio dentro de la zona de confort, lo cual asegura
que no habrá sobrecalentamientos indeseados.
Si Ta es la temperatura media externa y To la temperatura media dentro del edificio, el
balance térmico diario exige que:
CTU x 10-3 x (To - Ta) = Qsolar + Qgen
(en MJulios / día)
Donde Qsolar representa la energía entregada por los sistemas solares durante el día y
Qgen la generación interna de calor por la actividad de personas y distintos aparatos.
En esta expresión, o se fija To y se deducen las área de colección de los sistemas
solares (presentes en Qsolar), o bien se fijan estas áreas y se deduce la To resultante.
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APORTES ENERGETICOS DE LOS SISTEMAS COLECTORES
Ganancia directa por ventanas
Las superficies vidriadas como las ventanas permiten el
ingreso directo de la radiación solar al edificio. La cantidad
de energía ingresada por día se puede evaluar mediante:
Qsv = CTv * CTm * H * Av
(en MJulios / día)
Donde H es la radiación total diaria de día claro disponible
sobre la superficie vertical de la ventana.
CTm tiene en cuenta la reducción del área vidriada debida a los marcos. Su valor
depende del tipo de carpintería exixtente, siendo del orden de 0,8 para los casos usuales.
CTv es el coeficiente de
transmitancia que tiene en
cuenta las pérdidas por
reflexión y absorción en el
propio vidrio. Es, por
tanto, la eficiencia de la
ganancia directa.
N° de vidrios Vidrio normal Bajo contenido de Fe
1
0,85
0,91
2
0,75
0,83
3
0,66
0,75
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APORTES ENERGETICOS DE LOS SISTEMAS COLECTORES
Muro colector-acumulador
En este tipo de colector se coloca un muro de color
oscuro detrás del vidriado vertical, el cual recibe la
radiación solar y actúa como amortiguador del efecto de
la radiación en las variaciones de la temperatura dentro
del edificio.
El sistema tendrá una cierta eficiencia media a lo largo
del día, m, por lo que la energía colectada estará dada
por la siguiente expresión:
Qsm = m * H * Am
(en MJulios / día)
Donde H es la radiación total diaria de día claro
disponible sobre la superficie vertical del vidriado y Am
el área del muro colector.
Muro sólido
sin ventanillas.
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Material: hormigón
Espesor: 45 cm
Cubierta: doble vidrio.
Tamaño de ventanillas: 1%
del área del muro.
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EL EFECTO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
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DIMENSIONADO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
Los sistemas solares pueden colectar durante las horas de sol una cantidad de energía
(Qsolar,día) mayor que la estrictamente necesaria (pérdida de energía durante las horas
de sol, Pdía), por lo que resulta conveniente disponer de medios de acumulación que
reserven esa energía para uso nocturno.
El exceso de energía (Qsolar,día - Pdía) se acumula en los elementos del edificio que
tienen masa, tales como las paredes, pisos y techos de losa. Si el aire del interior del
edificio sufre entre el día y la noche una variación de temperatura dTi y esos elementos tienen un área igual a Ae, el calor que pueden acumular está dado por:
Qac = (Ce,1 x Ae,1 + Ce,2 x Ae,2 + ... ) x dTi
donde la suma se realiza sobre todos los elementos y Ce es la capacidad de
almacenamiento de energía de cada uno expresada en MJoule/m2 °C. Entonces:
Qac = Qsolar,día - Pdía
A fin de evitar el disconfort térmico dentro del edificio, se deberá disponer de valores de
Ae1, Ae2,...,Aen suficientemente grandes como para lograr que el dTi, despejado de la
ecuación anterior, no supere demasiado los 5 °C. Si no es así, deberá cambiarse algún
parámetro del diseño, ya sea agregando área de elementos o bien redimensionando los
colectores para disminuir el valor de Qsolar,día, aún a costa de bajar el porcentaje de
ahorro de calefacción auxiliar.
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DIMENSIONADO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
Valores de Ce para distintos materiales de construcción.
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DIMENSIONADO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
Si Tem es la temperatura externa máxima media diaria, Pdía se calcula mediante:
Pdía = 0,5 x CTU x [To - 0,5 x (Ta + Tem)]
donde To y Ta son los valores medios diarios de las temperaturas interior y exterior.
La estimación de Qsolar,día es difícil. Para las ventanas no hay mayores
inconvenientes ya que colectan toda la energía durante las horas de sol. En el caso de
los muros colectores el resultado depende, entre otras cosas, de si poseen o no
ventanillas para termocirculación. Se supone entonces que un muro sin ventanillas
entrega durante las horas de sol el 25% de la energía total diaria y que uno con
ventanillas entrega el 50 %. Por lo tanto:
Qsolar,día = Qsv + 0,25 x Qsm + 0,5 x Qst
donde Qsv es la energía solar colectada por las ventanas, Qsm la energía entregada
por un muro colector sin ventanillas durante un día completo y Qst la energía
entregada por un muro colector con ventanillas (Trombe) durante todo el día.
El cálculo de Pdía y Qsolar,día presentado es sólo estimativo por lo que su evaluación es más bien conservadora y destinada a comprobar que no existan grandes
defectos de diseño.
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Muchas gracias por su atención
Dr. Alejandro Luis Hernández
Universidad Nacional de Salta
Calle Buenos Aires 177
4400 - Salta, Argentina
(0387) 4255579/424 – Fax (0387) 4255489
Email: alejoher65@gmail-com
Web: http://www.inenco.unsa.edu.ar
METODO DE PREDISEÑO
TERMICO DE EDIFICIOS CON
APROVECHAMIENTO SOLAR
Dr. Alejandro L. Hernández
INENCO – Instituto de Investigaciones en Energía No
Convencional
UNSa - Universidad Nacional de Salta
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DISEÑO DE EDIFICIOS SOLARES PASIVOS
DISEÑO
ANALISIS
BIOCLIMATICO
GENERAL
DIMENSIONADO
INICIAL
(PREDISEÑO)
DIMENSIONADO
FINAL
Esquema inicial
del proyecto
Dimensionadofinal
detallado
Relevamiento de
Datos meteorológicos
Clasificación bioclimaTica del clima local
Análisis del acondicionamiento no convencional
Selección de sistemas
no convencionales
Determinación de las
Necesidades higrotérmic
Dimensionado inical de
las areas de colección
Dimensionado inical
de la acumulación
Análisis económico:
Grado de sustitución
de fuentes no conven.
Selección de métodos
constructivos
Análisis económico
Final:
a) Grado de sustitución
b) Amortización del
sobrecosto
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DIMENSIONADO INICIAL DE LOS SISTEMAS PASIVOS
El método de prediseño dimensiona los sistemas pasivos poniendo énfasis en dos
aspectos básicos:
El primero determina sus áreas de colección aprovechando el recurso solar al máximo
sin llegar a producir disconfort por sobrecalentamiento. Se realiaza un primer
dimensionado de las áreas de colección de manera que en los días soleados se obtenga
una temperatura media del edificio aceptable para las personas. Esto significa que en
los días poco soleados el sistema no dará un aporte energético suficiente.
El segundo determina las masas de acumulación a colocar en el interior del edificio
con el fin de que las variaciones diarias de su temperatura sean tolerables (~5 °C).
Estas variaciones son producidas por la variación de la temperatura externa a lo largo
de las 24 hs. y sen incrementadas por la incorporación de energía durante las horas de
sol por parte de los colectores.
Es aplicable a edificios de un solo local por lo que, si el diseño original es
multiambiente, deben ignorarse las divisorias interiores y considerarse solamente las
fachadas, conservándose el volumen total del edificio. Con esta simplificación se
obtendrá una única temperatura media para todo el edificio. O bien se puede trabajar
con cada local por separado, incluyendo como paredes sólo las que dan al exterior.
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
El primer dato a evaluar para el estudio de los tres aspectos ya definidos, es la pérdida
de calor del edificio por cada grado centígrado de elevación de su temperatura interna
respecto al ambiente la que recibe el nombre de carga térmica unitaria (CTU).
Los datos del edificio necesarios para el cáculo son:
1)
Superficies en m2 de paredes externas, Ap y techo, At.
2)
Superficie total en m2 de ventanas, Av y número de vidrios nv.
3)
Perímetro de la fundación en m, P.
4)
Volumen del edificio en m3, V.
5)
Coeficientes globales de transmisión térmica en W/m2 °C de techo, Ut, pared, Up
y perímetro Upt. Estos valores son los complexivos de conducción y convección.
6)
El número de renovaciones de aire por hora, RH. Este valor depende del tipo de
carpintería usado oscilando entre 1 para una buena hasta 4 para una mala. Para
ciertos locales existen normas sobre el número de renovaciones necesarias por
razones higiénicas pero en general, por razones térmicas, se tenderá a hacer éstas
mínimas.
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
Las pérdidas diarias por cada concepto son:
a)
Paredes:
Qp = 24 x 3,6 x Up x Ap (en KJulios/día °C)
b)
Techos:
Qt = 24 x 3,6 x Ut x At
c) Ventanas:
Qv = 24 x 3,6 x (5,6 / nv) x Av
d)
Perímetro:
Qpt = 24 x 3,6 x Upt x P x L
e)
, con L = profundidad de aislación.
Infiltraciones:
Qi = 24 x RH x RO x V (en KJulios/día °C),
donde RO es la densidad del aire a 20 °C y a la presión del lugar.
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
Altura en m.s.n.m
RO = RDD x 1,20 (Kg / m3)
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DETERMINACION DE LA CARGA TERMICA UNITARIA
El valor de la carga térmica unitaria se obtiene sumando los distintos aportes:
CTU = Qp + Qt + Qv + Qpt + Qi
TEMPERATURA INTERIOR PROMEDIO DE DÍA CLARO
Un primer dimensionado de las áreas de colección a utilizar se realiza sobre la base de
obtener una temperatura media del edificio dentro de la zona de confort, lo cual asegura
que no habrá sobrecalentamientos indeseados.
Si Ta es la temperatura media externa y To la temperatura media dentro del edificio, el
balance térmico diario exige que:
CTU x 10-3 x (To - Ta) = Qsolar + Qgen
(en MJulios / día)
Donde Qsolar representa la energía entregada por los sistemas solares durante el día y
Qgen la generación interna de calor por la actividad de personas y distintos aparatos.
En esta expresión, o se fija To y se deducen las área de colección de los sistemas
solares (presentes en Qsolar), o bien se fijan estas áreas y se deduce la To resultante.
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APORTES ENERGETICOS DE LOS SISTEMAS COLECTORES
Ganancia directa por ventanas
Las superficies vidriadas como las ventanas permiten el
ingreso directo de la radiación solar al edificio. La cantidad
de energía ingresada por día se puede evaluar mediante:
Qsv = CTv * CTm * H * Av
(en MJulios / día)
Donde H es la radiación total diaria de día claro disponible
sobre la superficie vertical de la ventana.
CTm tiene en cuenta la reducción del área vidriada debida a los marcos. Su valor
depende del tipo de carpintería exixtente, siendo del orden de 0,8 para los casos usuales.
CTv es el coeficiente de
transmitancia que tiene en
cuenta las pérdidas por
reflexión y absorción en el
propio vidrio. Es, por
tanto, la eficiencia de la
ganancia directa.
N° de vidrios Vidrio normal Bajo contenido de Fe
1
0,85
0,91
2
0,75
0,83
3
0,66
0,75
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APORTES ENERGETICOS DE LOS SISTEMAS COLECTORES
Muro colector-acumulador
En este tipo de colector se coloca un muro de color
oscuro detrás del vidriado vertical, el cual recibe la
radiación solar y actúa como amortiguador del efecto de
la radiación en las variaciones de la temperatura dentro
del edificio.
El sistema tendrá una cierta eficiencia media a lo largo
del día, m, por lo que la energía colectada estará dada
por la siguiente expresión:
Qsm = m * H * Am
(en MJulios / día)
Donde H es la radiación total diaria de día claro
disponible sobre la superficie vertical del vidriado y Am
el área del muro colector.
Muro sólido
sin ventanillas.
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Material: hormigón
Espesor: 45 cm
Cubierta: doble vidrio.
Tamaño de ventanillas: 1%
del área del muro.
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EL EFECTO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
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DIMENSIONADO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
Los sistemas solares pueden colectar durante las horas de sol una cantidad de energía
(Qsolar,día) mayor que la estrictamente necesaria (pérdida de energía durante las horas
de sol, Pdía), por lo que resulta conveniente disponer de medios de acumulación que
reserven esa energía para uso nocturno.
El exceso de energía (Qsolar,día - Pdía) se acumula en los elementos del edificio que
tienen masa, tales como las paredes, pisos y techos de losa. Si el aire del interior del
edificio sufre entre el día y la noche una variación de temperatura dTi y esos elementos tienen un área igual a Ae, el calor que pueden acumular está dado por:
Qac = (Ce,1 x Ae,1 + Ce,2 x Ae,2 + ... ) x dTi
donde la suma se realiza sobre todos los elementos y Ce es la capacidad de
almacenamiento de energía de cada uno expresada en MJoule/m2 °C. Entonces:
Qac = Qsolar,día - Pdía
A fin de evitar el disconfort térmico dentro del edificio, se deberá disponer de valores de
Ae1, Ae2,...,Aen suficientemente grandes como para lograr que el dTi, despejado de la
ecuación anterior, no supere demasiado los 5 °C. Si no es así, deberá cambiarse algún
parámetro del diseño, ya sea agregando área de elementos o bien redimensionando los
colectores para disminuir el valor de Qsolar,día, aún a costa de bajar el porcentaje de
ahorro de calefacción auxiliar.
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DIMENSIONADO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
Valores de Ce para distintos materiales de construcción.
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DIMENSIONADO DE LAS MASAS DE ACUMULACIÓN
Si Tem es la temperatura externa máxima media diaria, Pdía se calcula mediante:
Pdía = 0,5 x CTU x [To - 0,5 x (Ta + Tem)]
donde To y Ta son los valores medios diarios de las temperaturas interior y exterior.
La estimación de Qsolar,día es difícil. Para las ventanas no hay mayores
inconvenientes ya que colectan toda la energía durante las horas de sol. En el caso de
los muros colectores el resultado depende, entre otras cosas, de si poseen o no
ventanillas para termocirculación. Se supone entonces que un muro sin ventanillas
entrega durante las horas de sol el 25% de la energía total diaria y que uno con
ventanillas entrega el 50 %. Por lo tanto:
Qsolar,día = Qsv + 0,25 x Qsm + 0,5 x Qst
donde Qsv es la energía solar colectada por las ventanas, Qsm la energía entregada
por un muro colector sin ventanillas durante un día completo y Qst la energía
entregada por un muro colector con ventanillas (Trombe) durante todo el día.
El cálculo de Pdía y Qsolar,día presentado es sólo estimativo por lo que su evaluación es más bien conservadora y destinada a comprobar que no existan grandes
defectos de diseño.
Slide 15
Muchas gracias por su atención
Dr. Alejandro Luis Hernández
Universidad Nacional de Salta
Calle Buenos Aires 177
4400 - Salta, Argentina
(0387) 4255579/424 – Fax (0387) 4255489
Email: alejoher65@gmail-com
Web: http://www.inenco.unsa.edu.ar