Embed Size (px)
Citation preview
2
AGRADECIMIENTOS
Agradezco primeramente a mis padres que me proporcionaron la oportunidad de realizar el máster y esta investigación y me apoyaron en todos los momentos. A mis hermanos, con quien siempre pude contar y fueron fuente de inspiración, sonrisas y animo.
A mi tía Soraya que me ayudó en los momentos de estreses, fue gran compañera y me ofreció momentos agradables para pasear y relajar. A mis tíos Silvia y Martin por me recibir en su casa, me ofrecer todo apoyo y por organizar horas de paseos y descanso.
A todos los de mi familia que siempre estuvieron presentes y deseando suceso.
A mis amigas Paula, Daniela, Eliana y Laura que me mostraron que, no importa la distancia, siempre estarán presentes cuando necesite y que la amistad ofrece fuerzas indispensables en los momentos difíciles.
A todos los amigos que creyeron apoyaron a mi sueño.
A mi nueva amiga Perla Zambrano por ser tan compañera todo el año de curso del máster y por las horas agradables de conversaciones y paseos.
A las maestras Isabel Crespo y Anna Pagès, que aceptaron mi opción de tema de tesis, por sus consejos y soporte en todo el desarrollo de esta investigación.
A todos los maestros del Máster de Arquitectura, Energía y Medio Ambiente por equiparme con nuevos conocimientos.
3
RESUMEN
Con el advenimiento de la preocupación con los impactos del medio ambiente, aumentan cada vez más las búsquedas por soluciones arquitectónicas más eficientes y pensadas para ofrecer cada vez menos impacto ambiental. La percepción de la predominancia de fachadas totalmente acristaladas utilizadas en climas cálidos, principalmente para edificios de oficinas, crea una inquietud cuanto al confort térmico de los usuarios y cuanto a su eficiencia medio ambiental. Este trabajo propone analizar la influencia de la fachada acristalada y otras distintas fachadas en el confort térmico de los edificios de oficinas localizados en la ciudad de São Paulo, Brasil. Serán seleccionadas algunas composiciones materiales de fachada, para las cuales se analizará el aporte térmico en los edificios a partir de una investigación de la incidencia de radiación solar, además de las características y propiedades térmicas de los materiales. Como metodología, se propone el estudio de un modelo tipo de un edificio de oficinas, con lo cual se harán simulaciones teóricas con un programa informático. También se propone analizar las simulaciones con la relación de cada composición de fachada a la captación de radiación solar en distintas orientaciones. De esta manera, se podrá relacionar el aporte energético por la radiación directa en orientaciones determinadas y el tipo de material elegido para cada fachada. El objetivo principal es poder hacer una comparación del comportamiento térmico de los distintos materiales utilizados, actualmente y tradicionalmente, en las fachadas en Brasil y la relación de cada uno con el aporte energético y los gastos con acondicionamiento térmico de los edificios de oficinas. Palabras clave: Comportamiento térmico, fachadas, oficinas, São Paulo, radiación solar, acondicionamiento térmico. ABSTRACT
With the advent of the concern with environmental impacts, are increasing search for more efficient architectural solutions designed to offer less and less environmental impact. The perception of the prevalence of fully glazed facades used in warm climates, especially for office buildings, creates a concern regarding the thermal comfort of users and terms of environmental efficiency. This work aims to analyze the influence of the glass facade and other distinct facades in the thermal comfort of office buildings located in the city of São Paulo, Brazil. Some facade material compositions are selected to analyze the building´s heat input from an investigation of the effect of solar radiation, also the characteristics and thermal properties of the materials. As a methodology, the study proposes a model type of an office building, which will be theoretically simulated with a computer program. Also intends to explore the simulations with the relationship of each façade composition and solar radiation capture in different orientations. Thus, it may relate energy intake by the direct radiation in determined orientations and the type of material chosen for each facade. The main goal is to make a comparison of the thermal behavior of the different materials used, currently and traditionally, on the facades in Brazil and the relationship of each to the energy gains and thermal conditioning expenses of the office buildings. Keywords: Thermal behavior, facades, offices, São Paulo, solar radiation, thermal conditioning.
4
LISTA FIGURAS
Fig. 1. Mapa de Brasil con el Estado de São Paulo y la región metropolitana de São Paulo. 19 Fig. 2. Mapa de Brasil del Estado de São Paulo. 20 Fig. 3. Carta solar de la latitud 23º30’ 23 Fig. 4. Giros del edificio considerados para las simulaciones. 25 Fig. 5. Foto del Edificio Conjunto Nacional desde la Avenida Paulista. 32
Fig. 6. Mapa Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo 34 Fig. 7. Ampliación del Mapa Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo 34 Fig. 8. Vista desde arriba de la Avenida Paulista por la noche. 35 Fig. 9. Vista superior de la Avenida Faria Lima 35
Fig. 10. Vista de arriba de la avenida y sus edificios. 35
Fig. 11. Análisis de la escala del pedestre y espacios entre los edificios de la Paulista y Faria. 36 Fig. 12. Abaco Psicométrico de Givoni y zonas de confort y de corrección con arquitectura. 45
Fig. 13. Mecanismos de transferencia de calor. 49
Fig. 14. Localización considerada para el entorno del edificio modelo. 59 Fig. 15. Planta del modelo de edificio para simulaciones. 60
Fig. 16. Sección del modelo de edificio para simulaciones. 60
Fig. 17. Composiciones materiales seleccionadas para el análisis. 65
Fig. 18. Interface 3D del Design Builder versión 3.2 y el edificio modelo de simulaciones. 77
Fig. 19. Visualización de los resultados de las características del clima del lugar anual en el Design Builder versión 3.2. 78 Fig. 20. Visualización de los resultados de temperaturas interiores y horas de disconfort, por hora durante un día tipo de verano. 79 Fig. 21. Visualización de los resultados de ganancias interiores, durante
5
un día tipo de verano. 80 Fig. 22. Visualización de los resultados de ventilación y pérdidas energéticas por los cerramientos, durante un día tipo de verano. 80 Fig. 23. Visualización de los resultados de gastos con refrigeración, iluminación y electricidad, total de un día tipo de verano. 81
LISTA TABLAS
Tabla. 1. Velocidad de los vientos en m/s. 21 Tabla 2. Datos climáticos de São Paulo. 22
Tabla 3. Análisis teórico del Heliodon de la incidencia de radiación solar en las fachadas. 24
Tabla 4. Estimada de radiación del Heliodon con la referencia de valores medidos en plano horizontal. 24 Tabla. 5. Características de edificios de São Paulo. 41
Tabla 6. Estratégias bioclimáticas para São Paulo. 46
Tabla. 7. Valores de Absortividad de materiales. 48 Tabla. 8. Conductibilidad Térmica de algunos materiales 51
Tabla. 9. Propiedades térmicas de algunos materiales. 52 Tabla 10. Absortancia y emisividad de materiales. 55
Tabla. 11. Características de las avenidas de estudio, consideradas en las simulaciones térmicas. 58 Tabla 12. Características principales del modelo 61
Tabla 13. Características de actividades y ocupación 62
Tabla 14. Composiciones materiales fijas del modelo 62
Tabla 15. Características fijas de las fachadas del modelo 63
Tabla 16. Características de los cristales de las ventanas consideradas en las simulaciones del edificio modelo. 64
Tabla. 17. Descripción de las composiciones materiales seleccionadas para el análisis. 65 Tabla 18. Principales propiedades térmicas de los materiales considerados. 66
6
Tabla 19. Características de los vidrios de la investigación. 67
Tabla 20. Características de los vidrios de la investigación. 67
Tabla 21. Porcentaje de horas de disconfort por calor y frío de los edificios analizados. 88 Tabla 22. Porcentaje de horas de disconfort por calor y frío en un año de los edificios analizados 90
Tabla 23. Comparación porcentajes de Ganancias Solares de los giros del edificio a 0º, 30º y 45º del día tipo de verano e invierno. 98 Tabla 24. Comparación porcentajes de Ganancias Solares de los giros del edificio a 0º, 30º y 45º del día tipo de verano e invierno. 101 Tabla 25. Comparación de porcentajes de Gastos energéticos con refrigeración entre los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. 105 Tabla 26. Comparación de porcentajes de Gastos energéticos con calefacción entre los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. 106 Tabla 27. Efectividad de confort térmico de los edificios analizados. 107
LISTA GRÁFICAS
Grafica. 1. Consumo de Energía de Edificios Comerciais. 12 Gráfica. 2. “Consumo de Energía por Sectores” 14 Gráfica. 3. Frecuencia de los vientos 21 Grafico. 4. Radiación Global Media Mensural. 23 Grafica 5. Radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las fachadas del cubo de giro a 0º. 26 Grafica 6. Radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las fachadas del cubo de giro a 30º. 26 Grafica 7. Radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las fachadas del cubo de giro a 45º. 27 Grafica 8. Suma de la radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las cuatro fachadas de cada cubo: cubo 1 girado a 0º, cubo 2 girado a 30º y cubo 3 girado a 45º. 27
7
Grafica 9. Radiación solar (W) solsticio de verano. 28
Grafica 10. Radiación solar (W) solsticio de invierno. 28 Grafica 11. Formato de planta de los edificios analizados. 42
Grafica 12. Composiciones de las fachadas de los edificios analizados. 43
Grafica 13. Abaco Psicométrico del programa ANALYSIS BIO, referente a la ciudad de São Paulo. 46 Grafica 14. Transmitancia térmica (U en W/m²K) de los materiales. 68
Grafica 15. Factor Solar de los vidrios. 69
Grafica 16. Transmisión energética de los vidrios. 70
Grafica 17. Reflexión Energética Interna y Externa energética de los vidrios. 71
Grafica 18. Transmitancia visible de los vidrios. 71
Grafica 19. Resultados de las Temperaturas Operativas Máximas de un día tipo de verano. 82 Grafica 20. Resultados de las Temperaturas Operativas Mínimas de un día tipo de invierno. 83 Grafica 21. Resultados de las Ganancias Solares de un día tipo de verano y de invierno. 85 Grafica 22. Resultados de las Ganancias Solares de un año. 85 Grafica 23. Resultados de las Ganancias Solares de un día tipo de verano y de invierno. 87 Grafica 24. Resultados de las Horas de Disconfort de un día tipo de verano y de invierno. 88 Grafica 25. Resultados de las Horas de Disconfort por calor y frío durante un año. 89 Grafica 26. Resultados de las Horas de Disconfort total de un año. 90 Grafica 27. Resultados de los Gastos Energéticos con refrigeración y calefacción por un año. 91 Grafica 28. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Máximas del día tipo de verano con y sin entorno urbanístico. 92 Grafica 29. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Mínimas del día tipo de invierno con y sin entorno urbanístico. 93
8
Grafica 30. Comparación de resultados de Ganancias Solares del día tipo de verano e invierno con y sin entorno urbanístico. 94 Grafica 31. Comparación de resultados de Horas de Disconfort por calor y frío de un año con y sin entorno urbanístico. 95 Grafica 32. Comparación de resultados de los Gastos Energéticos con refrigeración y calefacción por un año, con y sin entorno urbano. 96 Grafica 33. Comparación de resultados de Ganancias Solares del día tipo de verano con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 97 Grafica 34. Comparación de resultados de Ganancias Solares del día tipo de invierno con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 98 Grafica 35. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Máximas del día tipo de verano con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 99 Grafica 36. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Mínimas del día tipo de invierno con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 99 Grafica 37. Comparación de resultados de Horas de Disconfort por calor de un año con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 100 Grafica 38. Comparación de resultados de Horas de Disconfort por frío de un año con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 101 Grafica 39. Comparación de resultados de los Gastos Energéticos con refrigeración por un año, con con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 102 Grafica 40. Comparación de resultados de los Gastos Energéticos con calefacción por un año, con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 102 Grafica 41. Resultados de los Gastos Energéticos con climatización general por un año, con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. 104 Grafica 42. Comparación de los Gastos Energéticos con refrigeración de un año, de los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. 105 Grafica 43. Comparación de los Gastos Energéticos con calefacción de un año, de los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. 106 Grafica 44. Comparación de los Gastos Energéticos con climatización general por un año, de los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. 107
9
ÍNDICE
1. Introducción
1.1 Justificativa del tema
1.2 Objetivos
1.3 Metodología
1.4 Estado del arte
2. El lugar (geografía, características meteorológicas y radiación solar)
2.1 Características geográficas del lugar de análisis
2.2 Características del clima de la ciudad de São Paulo
2.3 La Radiación Solar en la Latitud 23º30’
2.3.1 - Análisis de la Radiación Solar en la Latitud 23º30’ - Las direcciones de las fachadas a investigar.
3. El entorno urbanístico
3.1 Características del entorno urbano de los edificios de oficinas en SP.
3.2 – Características del entorno de las avenidas analizadas.
4. El edificio
4.1 Los edificios de oficinas en São Paulo
4.1.1 - Análisis de los edificios de oficina existentes en São Paulo.
4.1.2 - Determinación de la tipología de edificio de oficinas más constante.
4.2 El confort y Abaco Psicométrico - Estrategias de diseño de los edificios.
4.2.1 - Análisis del confort y estrategias de diseño en São Paulo
4.3 La envolvente del edificio
4.3.1 - Transferencia térmica de la envolvente
4.3.2 Características y propiedades térmicas de los materiales
10
4.3.4 Propiedades superficiales de los materiales
5. El modelo teórico de esta investigación
5.1 El entorno urbanístico del edificio modelo
5.2 El edificio modelo
5.2.1 Características fijas del modelo: actividad, construcción, aberturas, iluminación, calefacción, refrigeración y ventilación natural.
5.3 La envolvente - Características cambiantes del modelo
5.3.1 - Elección de las composiciones materiales de las fachadas para esta investigación
5.3.2 - Análisis de características y propiedades térmicas de las composiciones materiales de la investigación.
6. Simulaciones del comportamiento térmico del edificio modelo
6.1 – Herramienta computacional para la evaluación térmica de las composiciones de fachadas
6.1.1 – Consideraciones de la herramienta computacional
6.1.2 – Visualización de los resultados
6.2 – Análisis de los resultados de las simulaciones
7. Conclusiones
8. Bibliografía
11
1. Introducción
12
1.1 Justificativa del tema
La importancia del análisis del confort de los usuarios de los edificios siempre estuvo presente en la determinación del diseño de la arquitectura. Con una visión más formalista de los obyectos arquitectónicos, muchas veces el confort ha sido dejado como consecuencia del diseño y no como objetivo principal de la arquitectura.
Los edificios de oficinas proponen una arquitectura imponente, que ostenta la apariencia moderna por medio de fachadas acristaladas. Esto a pesar de permitir buenas vistas del interior del edificio a su rededor y también más entrada de luz natural, puede suceder en un aporte muy grande de energía térmica a los edificios y comprometer el confort de los usuarios. De esta forma, estos edificios contienen una alta demanda energética con sistemas de refrigeración.
Los sistemas de aire acondicionado de edificios comerciales en Brasil son responsables por 50% de la energía que consumen, (Lamberts R, Carlo J, 2008). Abajo sigue un grafico demostrativo de los gastos energéticos de los edificios comerciales, desde la base de datos energéticos de Brasil:
Grafica. 1. Consumo de Energía de Edificios Comerciais. Fuente: BEN - Balanço Energético Nacional, 2012.
En São Paulo, polo económico, comercial y de negocios, existen inúmeros edificios con fachadas acristaladas y que no consideran el aporte energético como punto inicial del diseño arquitectónico. También surgen nuevos edificios cada día, que proponen cristales para las fachadas, considerados tratados para aportar menos energía térmica al interior. Estos nuevos edificios venden la idea de sostenibilidad, muchas veces, por medio de sellos que desde el concepto inicial no consideran las medidas de diseño con objetivo de lograr menor aporte energético o mayor eficiencia.
En algunos casos, se proponen el desuso o derribo de edificios tradicionales y su reconstrucción con nuevas fachadas acristaladas. Algunos “retrofits” también sugieren fachadas doble acristaladas, para que los edificios adquieran una nueva apariencia y suponiendo que obtendrán comportamiento térmico adecuado, pero sin considerar un análisis del edificio en concreto.
Con base en esta problemática, en este trabajo, se propone estudiar el comportamiento térmico de distintas fachadas, parámetro determinante en el confort de un edificio y de de los gastos energéticos.
13
Las principales cuestiones que motivaron esta investigación y que se propone contestar al final de este análisis fueron:
- ¿Cuál es el comportamiento térmico de las fachadas acristaladas frecuentemente utilizadas en los edificios de oficinas en São Paulo? - ¿Cómo se comportan los vidrios low-e, comúnmente utilizados en edificios con etiquetas energéticamente eficientes? - ¿Cuál sería el comportamiento de otros materiales utilizados para estas fachadas? - ¿Cuánto influye la captación de radiación solar por las fachadas en el confort térmico y qué material seria el ideal para cada una de las direcciones de las fachadas? - ¿Cuál es el aporte energético con acondicionamiento térmico necesario en cada una de las situaciones y cómo podemos bajar estos gastos a partir del análisis de las fachadas?
1.2 Objetivos
El objetivo general de esta investigación es analizar el comportamiento térmico de los cerramientos laterales, o sea, de las fachadas, que son más constantemente utilizados en las construcciones de los edificios de oficinas existentes en São Paulo, Brasil.
Con este estudio se pretende lograr establecer las comparaciones listadas abajo
entre edificios equivalentes, que cambian solamente la composición material utilizada en las fachadas. Se tratan, por lo tanto, de los objetivos específicos:
- Horas de disconfort de cada edificio con un tipo distinto de composición de
fachada. - Posibles gastos energéticos con climatización artificial de cada edificio. - Temperaturas máximas y mínimas interiores de cada edificio con tipo distinto de
fachada, en un día tipo de verano y de invierno. Comparación en las situaciones críticas de temperaturas exteriores.
- Factores y características de las fachadas que influyen en el comportamiento térmico de los edificios.
- Poder comparar distintos tipos de vidrios que son normalmente utilizados en paneles acristalados en las fachadas de edificios de oficinas.
Además de estas comparaciones, se pretende analizar el comportamiento térmico
con algunas variables presentes en el entorno urbano y posicionamiento del edificio: - Tener una base de lo cuanto influye el entorno urbano del edificio en el
comportamiento térmico de los edificios en São Paulo. - Evaluar algunos posibles giros del edificio en relación al norte, de manera que el
edificio capte la radiación solar de forma distinta y verificar cuanto esto puede cambiar el comportamiento térmico.
14
1.3 Metodología
Para alcanzar los resultados fue establecida la siguiente metodología:
- Explorar y analizar investigaciones anteriores sobre el tema. - Búsqueda de la información necesaria y estudio de las características climáticas,
geografía del lugar y radiación solar. - Explorar el entorno urbanístico del local y los parámetros que influyen en el
comportamiento térmico de los edificios como: usos, diseño arquitectónico, envolvente y composición material.
- Investigar el entorno urbanístico de los edificios de oficinas en São Paulo y determinar un entorno teórico para ser analizado junto al modelo de edificio teórico.
- Investigar la arquitectura de los edificios de oficinas en São Paulo y determinar un edificio modelo para analizar el comportamiento térmico por medio de simulaciones teóricas.
- Determinar los parámetros fijos del edificio para que sea las composiciones de las fachadas del edificio, el factor a ser evaluado térmicamente y poder establecer comparaciones.
- Elegir las composiciones materiales y composición de las fachadas en el edificio para la evaluación térmica.
- Calcular las propiedades térmicas de los materiales elegidos y compararlas de forma simplificada, previo a las simulaciones.
- Simular a través del programa informático Design Builder, el modelo teórico con las distintas composiciones de fachadas elegidas para que se pueda confrontar los resultados y evaluar térmicamente el edificio.
- Obtener conclusiones de los análisis previos y de las simulaciones, cuanto al confort y los gastos energéticos, para el edificio modelo compuesto de las composiciones de fachadas más utilizadas en el lugar y evaluar el uso de estas composiciones y posibles mejoras.
1.4 Estado del Arte
Para componer el estado del arte del tema, se hizo una búsqueda de artículos y tesis que contienen temas similares o temas que hicieran parte de un estudio previo a la investigación. Desde el análisis de bases teóricas, se pudo comprender el cuadro energético de los edificios comerciales en Brasil como el tercer sector con mayor demanda energética del país, como resumido en el grafico de la figura 2.
46%
22%15%
8% 9%
15
Gráfica. 2. “Consumo de Energía por Sectores” – Fuente: (Ministerio de Minas e Energía, 2011).
En São Paulo, este cuadro es más expresivo, ya que es uno de los más grandes centros económico-financieros, donde el sector constructivo de mayor crecimiento es el comercial. También es el de mayor interés en la innovación constructiva principalmente de la composición de las fachadas, que serán analizadas en este trabajo.
En la tesis de doctorado “Edificios de escritórios na cidade de São Paulo”
(Fialho Novelli, Roberto, 2007), se explica la evolución de los edificios de escritorios en São Paulo en la historia y los terrenos más visados para este tipo de construcción durante la historia hasta la actualidad. A partir de esta tesis, es posible saber y entender los puntos principales de la ciudad donde están localizados este tipo de edificios, bien como las características del entorno para que esta investigación sea más cercana a la realidad existente. Hoy existen tres principales locales donde se concentran este tipo de edificación, que serán explicados y analizados en el trabajo final de máster.
La tesina “La influencia de los distintos muros exteriores en el confort térmico de vivienda en un clima subtropical húmedo” (Atem Gregorio, Camila, 2012), compone un análisis teórico de distintos tipos de muro, con y sin aislamiento térmico, para un modelo tipo de vivienda en el sur de Brasil. Para este análisis, fue simulado en el programa informático Design Builder, un modelo de vivienda en el clima de la ciudad de Londrina.
En este caso, el invierno es más rigoroso que en São Paulo y existe una preocupación más grande con la inercia y aislamiento térmico. También incluye un análisis comparativo del confort de las viviendas y los requerimientos de las normativas brasileñas. Los tipos de muros exteriores analizados fueron: ladrillo hueco, ladrillo macizo, ladrillo macizo doble, light steel frame, ladrillo hueco + lana de roca, ladrillo hueco + lana de vidrio.
Esta tesina, se encuentra muy bien estructurada y explica de forma concisa y clara la elección de cada factor que influye en las simulaciones y cálculos, como por ejemplo los muros elegidos y los factores climáticos. Para este trabajo, se toma la tesina de Camila Gregorio Atem como base de estructuración, organización y forma de desarrollo del tema. El uso de la arquitectura seleccionada, que es residencial, se difiere bastante al que se propone para esta tesina, bien como los muros exteriores, que están previstos a un local con distintas características climatológicas, pero se propone seguir la misma forma de seleccionar los muros y explicar, uno a uno, sus características y comportamientos.
Para los cálculos de resistencia térmica de las fachadas, se propone basarse en la
normativa brasileña, como está hecho en la tesina (Atem Gregorio, Camila, 2012) y en otras investigaciones como: (Callegari, Simara, 2005).
El articulo “Análisis of variables that influence electric energy consumption in commercial buildings in Brazil” (M.M.Q. Carvalho, E.L. La Rovere, A.C.M. Gonçalves, 2010), analiza el comportamiento de distintas fachadas y cubiertas y compara los resultados con el aporte de energía eléctrica con acondicionamiento térmico. Explica la importancia de las fachadas y el último pavimento de los edificios en los gastos energéticos totales. La investigación se hizo a partir de un edificio de
16
oficinas seleccionado, de la ciudad de Rio de Janeiro, Brasil. El programa Visual DOE ha sido utilizado para simular los gastos energéticos horarios de usos específicos, aire acondicionado e iluminación por ejemplo. Fue propuesto tres escenarios de estudio: el edificio base existente comparado a cambios de parámetros de las fachadas y cambios de parámetros de cubierta.
La propuesta de los escenarios de esta investigación, resulta en resultados que permiten concluir se el edificio de análisis se comportaría mejor térmicamente si tuviera otros tipos de cubierta o fachadas y los resultados se acercan a situaciones existentes. De esta manera, se propone para este trabajo, determinar también un modelo base de edificio y algunas situaciones de cambio de composiciones materiales, pero solamente de las fachadas, con una cubierta fija para todos los casos de estudio, ya que el intuito es saber cuánto influye los materiales de las fachadas en el conforto térmico.
“Influence of glass curtain walls on the building thermal energy consumption under Tunisian climatic conditions: The case of administrative buildings.” (Chiheb Bouden, 2006) es otro análisis que también estudia el consumo energético, pero considerando la influencia de los muros cortinas de vidrio en Tunisia. Este caso también parte de un edificio ya existente para el análisis teórico con cálculos y simulaciones. Son considerados factores como el tamaño de las ventanas y porcentaje de acristalamiento para relacionar con el consumo energético del edificio.
Distinto de esta investigación y del artículo anterior (Fialho Novelli, Roberto
2007), y partiendo de la observación de que la gran parte de los edificios de oficinas están localizados en tres áreas específicas de la ciudad de São Paulo y contienen características semejantes, lo que se propone es el análisis de un modelo teórico más genérico en lugar de un edificio existente. De esta forma, este trabajo final comportará una base teórica que podrá ser utilizado para varios edificios en São Paulo de forma genérica y a partir del cual se podrá hacer adecuaciones a los caso más específicos.
Otras investigaciones parten del sistema constructivo de las fachadas, para analizar el comportamiento Higro –Térmico, como el estudio de fachadas de tres shoppings realizado por (Callegari, Simara, 2005). Este caso analiza toda la composición estructural de las fachadas y sirve de buena base para entender constructivamente cada una y lo cuanto influye en el intercambio térmico de interior X exterior. Lo que se busca para este trabajo es un sistema constructivo fijo para que el factor de análisis sea las distintas composiciones materiales de la fachada, más bien que el proprio sistema constructivo.
El articulo “Building envelope regulations on thermal comfort in glass facade buildings and energy-saving potential for PMV-based comfort control” (Ruey-Lung Hwang, Shiu-Ya Shu, 2010), estudia el comportamiento térmico de ocho tipos de acristalamiento comparadas a una fachada existente de vidrio simple azul de un lobby de un edificio orientado a sur.
Los artículos analizados no consideran como partida inicial la radiación solar recibida por cada fachada, la relación con sus materiales y el aporte energético al edificio. Además, son análisis propios a cada local estudiado y sus características climáticas y ambientales. Considerando que São Paulo es una de las mayores ciudades del mundo y contiene una gran cantidad de edificios comerciales, se propone aportar
17
una nueva investigación de cómo se comporta esta arquitectura en este local y poder hacer una comparación de distintas soluciones para las fachadas.
El análisis antes comentado, (Chiheb Bouden, 2006), considera siete composiciones distintas de vidrios, ya que se basa en la comparación de sus composiciones. Para esa tesina, también se propone estudiar algunos tipos de fachadas acristaladas más presentes en el escenario local, pero también de algunas fachadas tradicionales, no acristaladas, para poder hacer comparaciones entre los distintos materiales, sus resistencias al paso de calor y comportamiento en el clima de análisis.
18
2. El lugar (geografía, características meteorológicas y radiación solar)
19
2.1 Características geográficas del lugar de análisis
São Paulo es la mayor metrópolis de Brasil, con 8 millones de habitantes y está situada en un contexto de terrenos altos, entre 720 y 850 metros, llamado el Plan alto Atlántico. Presenta llanura de ríos, colinas, morros, sierras y está a 45 km aproximadamente del océano Atlántico.
La ciudad de São Paulo está localizada en la latitud 23º 32’ Sur, longitud de 46º 37’ oeste. Está a suroeste del país y en el Estado, o la provincia, de São Paulo, como indicado en la figura que contiene los tres mapas ordenados abajo.
Fig. 1. Mapa de Brasil con el Estado de São Paulo y la región metropolitana de São Paulo.
La extensión municipal de la región metropolitana de São Paulo es de 1530 km² y tiene una urbanización de 92%.
La polución del aire es intensa, principalmente por la cantidad de coches que circulan diariamente en la ciudad. La polución contribuye para el fenómeno de islas de calor que se forman en São Paulo en las regiones centrales, en las más adensadas y con altos edificios. Este factor es muy importante en el punto de vista de cambios climáticos y las grandes distinciones de temperaturas que hay entre la parte más urbanizada y las periferias.
20
2.2 Características del clima de la ciudad de São Paulo
El clima predominante de Brasil es el Tropical, pero la influencia del mar, continentalidad, latitud, relevo y masas de aire, hacen con que haya en el país muchos subtipos de clima tropical, subtropical y ecuatorial.
Uno de los sistemas de clasificación de zonas climáticas más utilizados hasta hoy es el de Köpper (Köpper y Geiger, 1928).
Según la clasificación bioclimática de Köpper, São Paulo está en la zona Cwa, que es clasificado como clima subtropical húmedo, de altitud, con lluvias en el verano, invierno seco y con la temperatura media del mes más cálido superior a 22ºC.
Fig. 2. Mapa del Estado de São Paulo.
(http://www.cpa.unicamp.br/imagens/classkoeppensp2.gif)
Una de las principales características de esta zona es la alternancia de dos estaciones, una cálida y húmeda y otra fría y relativamente más seca. También presenta variaciones do tipo de tiempo en sucesión, pues puede presentar estados atmosféricos de intensos calentamientos, bien como resfriamientos en segmentos temporales de corta duración. Ese cambio explica la ocurrencia de fuertes impactos pluviométricos y la existencia, en algunos años de relativa longa secuencia de período seco. Cuando hay un período seco de un mes entero o casi dos meses, ya clasifícaselo como un año bastante seco.
El IAG/USP, Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias de la Universidad de São Paulo, son realizadas observaciones meteorológicas desde 1933. Separa las estaciones del año de la ciudad de la siguiente forma:
Verano: Diciembre, Enero y Febrero.
Otoño: Marzo, Abril, Mayo
21
Invierno: Junio, Julio, Agosto
Primavera: Septiembre, Octubre, Noviembre.
Ahí se ha registrado la temperatura más alta en octubre de 2012 de 35,9ºC y la más baja de -1,2 ºC en julio de 1942.
Los datos del INMET, Instituto Nacional de Meteorología, muestran que la temperatura media anual de São Paulo está entre 19ºC y que en los últimos años se ha aumentado y aproximado más a la media de 20ºC. El mes más cálido es febrero con temperaturas medias de 23,5ºC y el más frío es julio con medias de 15,5 ºC.
Tabla 1. Datos climáticos de São Paulo. (Elaboración de la autora con los datos de INMET y Velocidad de los vientos en m/s. (Goulart, Lamberts y Firmino, 1998).
El “Atlas Ambiental del Municipio de São Paulo” de la Secretaria del Medio Ambiente y Planeamiento (Roberto Tarifa, José y Armani, Gustavo, 2000), es una base de datos y que describe el bioclima de la ciudad de São Paulo que se basa en los datos y mediciones de la Estación Meteorológica del Mirante de Santana. En este estudio se encuentra que la presión atmosférica media anual es de 926,0 Mb.
La pluviosidad media anual, para el período de 1961 a 1990, ha sido de 1489 mm, siendo enero el mes de más lluvia, con 260 mm y agosto el más seco, con 35 mm.
Cuanto a la circulación de los vientos, la estación meteorológica del Aeropuerto de Congonhas registra una media anual de calmarías de 33,7%. La primera predominancia anual es de la dirección sudeste con 19,6%, la segunda de sur con 16% y la tercera de leste con 8,8%. También registra un periodo de calmarías (vientos menores de 1km/h) en invierno, principalmente en los meses de mayo y julio (41%) y junio (43%).
En el grafico a seguir se puede observar que la dirección de los vientos a Sudeste son los más frecuentes y que el viento de noreste, en azul, es más frecuente en invierno. (Datos de 1951 a 1970).
22
Grafica. 3. Frecuencia de los vientos (Goulart, Lamberts y Firmino, 1998).
Por la posición geográfica de la ciudad de São Paulo, que localizase en un vale, los vientos son bastante leves y son relativamente de baja velocidad en gran parte del tiempo.
Abajo sigue una tabla con las velocidades máximas y medias de los vientos por mes. (Datos del período de 1951 a 1970).
Tabla. 2. Velocidad de los vientos en m/s. (Goulart, Lamberts y Firmino, 1998).
La humedad relativa del aire se mantiene relativamente elevada durante todo el año, variando entre un mínimo de 74% en agosto y un máximo de 85% en enero y febrero. La cobertura del cielo (nebulosidad), varía entre un mínimo de 60% en julio y un máximo de 80% en diciembre.
En el siguiente ítem se explica un análisis apartado y más específico de la radiación solar en la latitud de la ciudad de São Paulo.
2.3 La Radiación Solar en la Latitud 23º30’
La radiación global por mes, media de los años 1961 a 1990, se encuentra relacionada en la tabla abajo.
Grafico. 4. Radiación Global MediaInstituto Nacional de Meteorología.
La carta solar estereográfica de la latitud de São Pcaracterísticas importantes de la incidencia del sol en los edtomadas en cuenta para la evaluación del comportamiento térmico de los mismos.
- En invierno el período de insolación es de dos horas menos que en verano.- En invierno en sol incide todo el día en la fachada norte y no incide en la sur.- En verano hay poca incidencia solar en la fachada sur por la mañana y tarde.- En verano el sol es bastante alto, incidiendo principalmente sobre la cubierta,
fachada este y oe- Al medio día del solsticio de verano el sol pasa exactamente a 90º.
0
1
2
3
4
5
6
Ene Feb Mar
Radiación
Radiación Solar en la Latitud 23º30’
La radiación global por mes, media de los años 1961 a 1990, se encuentra relacionada en la tabla abajo.
Radiación Global Media Mensural. (Elaboración de la autora a partir de datos del Instituto Nacional de Meteorología. http://www.inmet.gov.br/sim/gera_graficos.php
La carta solar estereográfica de la latitud de São Paulo indica algunas características importantes de la incidencia del sol en los edificios que deben ser
cuenta para la evaluación del comportamiento térmico de los mismos.
En invierno el período de insolación es de dos horas menos que en verano.En invierno en sol incide todo el día en la fachada norte y no incide en la sur.En verano hay poca incidencia solar en la fachada sur por la mañana y tarde.En verano el sol es bastante alto, incidiendo principalmente sobre la cubierta, fachada este y oeste. Al medio día del solsticio de verano el sol pasa exactamente a 90º.
Fig. 3. Carta solar de la latitud 23º30’
Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov
Radiación Global Media Mensural (años 1961 - 1990)
R (kWh/m2 dia)
23
La radiación global por mes, media de los años 1961 a 1990, se encuentra
Mensural. (Elaboración de la autora a partir de datos del http://www.inmet.gov.br/sim/gera_graficos.php).
aulo indica algunas ificios que deben ser
cuenta para la evaluación del comportamiento térmico de los mismos.
En invierno el período de insolación es de dos horas menos que en verano. En invierno en sol incide todo el día en la fachada norte y no incide en la sur. En verano hay poca incidencia solar en la fachada sur por la mañana y tarde. En verano el sol es bastante alto, incidiendo principalmente sobre la cubierta,
Al medio día del solsticio de verano el sol pasa exactamente a 90º.
Dic Año
24
Para el análisis de la incidencia de radiación solar, fue utilizado, además de la carta solar y los datos de INMET, simulaciones con el programa Heliodon. A partir de los datos de radiación media global y en plano horizontal fue posible verificar la incidencia de la radiación en los planos verticales de un cubo de 1m X 1m. Esos valores son usados como una evaluación previa y referencia para la captación de radiación en las fachadas del edificio modelo evaluado en esta investigación.
Tabla 3. Análisis teórico del Heliodon de la incidencia de radiación solar en las fachadas.
Esta primera tabla incluye los valores teóricos de incidencia de radiación solar en las fachadas en la latitud 23º30’. Con estos valores y los obtenidos de datos de mediciones del plano horizontal, es posible estimar los valores para los planos verticales.
Tabla 4. Estimada de radiación del Heliodon con la referencia de valores medidos en plano horizontal.
Es importante acordar que los datos de mediciones llevan en cuenta factores como nebulosidad, polución y humedad presentes en el aire y que influencian en la radiación que llega a las superficies de los edificios. De esta forma, el valor obtenido a partir de una estimada con la real, está más cerca a valores reales, una vez que los datos medidos de incidencia solar sean bastante fiables. También es importante considerar que determinan la captación de un día promedio entre los datos tomados por la fuente y pueden diferir mucho de un día especifico que no hay nubles o que hay más cobertura de cielo que el promedio del lugar. En el siguiente ítem, se explica el análisis realizado acerca de la incidencia de la radiación solar en cada dirección de las fachadas consideradas en esta investigación.
25
2.3.1 - Análisis de la Radiación Solar en la Latitud 23º30’ – Las direcciones de fachadas a investigar.
Un análisis previo de la radiación solar sobre las caras de un cubo de 1 metro por 1 metro para distintas latitudes y girado a distintas direcciones, ha sido tomado en cuenta para el estudio de la radiación en la latitud de la ciudad de São Paulo, o sea, 23º 32’ Sur. Este trabajo previo se hizo para las latitudes de 0º a 90º, de 10º en 10º (0º,10º,20º, etc.). De esta forma la latitud que más se acerca a la de São Paulo es la de 20º.
Llevando en cuenta este análisis, se tomaron algunos giros más importantes para observar el comportamiento de la radiación en la latitud 23º32’. De la misma forma, fue analizado un cubo de 1 metro por 1 metro y se obtuvo la radiación que capta cada cara en un día promedio de cada mes del año. Con eso, fue posible observar las fachadas que más reciben radiación, bien como los giros del cubo, en relación al norte, más significativos en relación a la energía solar que llega a cada una de las caras.
Los giros considerados para este análisis fueron los explicados en el grafico abajo:
Fig. 4. Giros del edificio considerados para las simulaciones. (Elaboración de la autora)
Cuando considerado el primer cubo, girado a 0º en relación al norte, considerase exactamente que la fachada direccionada a 0º es la sur, a 90º es la este, a 180º es la norte y la 270º es la oeste. El segundo cubo se obtiene al girar la fachada a 0º del primer cubo, a 45º y el tercer a 30º.
En esta latitud, el sol incide sobre la fachada sur muy poco en verano y nunca en invierno. Es bastante alto en verano, incidiendo mucho sobre la cubierta, fachada este y oeste. Estas tres fachadas son muy determinantes en el confort de verano, una vez que captan mucho en esta época del año. En invierno, la fachada que más capta es la norte.
Abajo siguen tablas comparativas de la radiación que capta cada fachada durante el año. Cada tabla es referente a un giro distinto del cubo de 1m por 1m, que equivale a la captación de las fachadas de un edificio girado a estas direcciones.
26
Grafica 5. Radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las fachadas del cubo de giro a 0º. (Elaboración de la autora)
En esa grafica, se puede observar que la radiación que incide sobre la fachada este es igual a la que recibe la fachada oeste, una vez que el cubo se encuentra girado a 0º en relación al norte, o sea, esta perpendicular al norte.
Grafica 6. Radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las fachadas del cubo de giro a 30º. (Elaboración de la autora)
Una vez que el cubo es girado y ya no se encuentra perpendicular al norte, aparecen distinciones entre la captación solar de cada fachada. En este caso, la fachada girada a 30º es la que menos recibe, pues es la que más se acerca a la fachada sur o 0º del primer cubo.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
Sur (0º)
Norte (180º)
Este/Oeste (90º/270º)
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
30º
120º
210º
300º
27
Grafica 7. Radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las fachadas del cubo de giro a 45º. (Elaboración de la autora)
El giro a 45º hace con que dos fachadas capten radiación por la mañana y las otras dos por la tarde, de forma a acumular lo mismo, ya que son exactamente opuestas o espejadas en relación a la incidencia solar. Las dos fachadas vueltas a norte son las que más captan durante el año. También son las que captan más en invierno y menos en verano. Las dos otras fachadas, direccionadas a sur, tienen comportamiento opuesto y negativo para este clima.
Considerando la importancia que tiene cada fachada en el aporte de energía por radiación solar, para este trabajo fue importante también entender cómo se comportan en conjunto todas las fachadas del edificio. Siguiendo esta idea, se hizo un estudio de la suma de radiación solar de las cuatro fachadas de cada uno de los tres cubos analizados. Con el análisis de la captación solar promedio día de cada cara del cubo, se sumaron la captación de las cuatro caras del cubo girado a 0º, después se hizo lo mismo para el cubo a 30º y 45º. Así, se obtuvo la tabla abajo, que sirve de base para el análisis de captación solar del modelo de edificio estudiado más adelante.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
45º y 315º
135º y 225º
5,00
5,20
5,40
5,60
5,80
6,00
6,20
6,40
6,60
6,80
7,00
Cubo 1
Cubo 2
Cubo 3
28
Grafica 8. Suma de la radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las cuatro fachadas de cada cubo: cubo 1 girado a 0º, cubo 2 girado a 30º y cubo 3 girado a 45º. (Elaboración de la autora)
El cubo 1, con giro a 0º, capta menos radiación solar en los meses de verano y más en invierno. De esta manera, probablemente será o que tendrá menores aportes con radiación solar en verano y más en invierno, ofreciendo más confort y menos gastos energéticos. El cubo 3 es el que más capta en verano y menos en invierno, por lo tanto, probablemente corresponderá a peores resultados de comportamiento térmico.
Además de las consideraciones anteriores, también fue importante saber la incidencia de la radiación solar durante un día tipo, para comprender cuanto capta cada fachada en comparación a las otras, durante las horas del día. Para eso, se tomaron dos días de los dos meses más críticos, el solsticio de verano y de invierno, analizadas en la tesina (Atem Gregorio, Camila, 2012) y como muestra las graficas abajo:
Grafica 9. Radiación solar (W) solsticio de verano (Atem Gregorio, Camila, 2012).
Grafica 10. Radiación solar (W) solsticio de invierno (Atem Gregorio, Camila, 2012).
Desde las gráficas, se puede analizar que lo que se considera como fachadas SE, SO, NE y NO, son las equivalentes al edificio girado a 45º, como muestra el estudio de giros realizado a partir del cubo, mencionado en el principio de este capítulo.
29
“Se puede concluir que en verano la mayor parte de la radiación incide sobre la cubierta, seguida de las fachadas este y oeste y después SE e SO. La fachada norte no recibe radiación directa en esta fecha. En invierno, sin embargo, las cantidades son más equilibradas, se divide entre norte, cubierta, este y oeste, pero principalmente las fachadas NO y NE, con intensidades semejantes, pero en períodos del día distintos. La fachada sur no recibe radiación en esta fecha.” (Atem Gregorio, Camila, 2012).
A partir del análisis de la radiación, se verificaron las fachadas que se debe proteger de la radiación directa en verano, pues presentan altos índices de incidencia solar. La cubierta es la que más capta y por lo tanto, los pavimentos de un edificio que están más expuestos a esta fachada, o sea, más en el topo, serán los que presentarán mayores ganancias térmicas en esta época del año. En seguida, las que más necesitan protección son las fachadas este y oeste.
De la misma forma, en invierno, cuando hay la necesidad de captar la radiación, se verifica que las superficies direccionadas a norte, NE y NO son las que más captan.
30
3 El entorno urbanístico
31
3.1 - Características del entorno urbano de los edificios de oficinas en SP
La ciudad de São Paulo está caracterizada por una cantidad muy grande de altos edificios, siendo parte bastante considerable de ellos, edificios comerciales y de oficinas. También es posible notar que hay algunas áreas donde hay una concentración mayor de estos altos edificios y que se caracterizan por el uso comercial. Es importante considerar que parcela de esto se debe a las políticas de “zoneamiento” de la ciudad, o sea, leyes que influyen en la organización y distribución de las actividades por la malla urbana.
La tesis doctoral “Edificios de escritorios na cidade de São Paulo” (Fialho Novelli, Roberto 2007) es un material de referencia de la producción de los edificios de oficinas en la ciudad de São Paulo, desde los primeros construidos hasta finales de 2006. También propone reconocer la distribución de estos edificios por la ciudad, a partir de un estudio de la evolución histórica, del proceso de producción de esta arquitectura y aspectos de interés de la construcción en determinadas áreas.
A partir del estudio de esta tesis, sumados a observaciones del interés del mercado inmobiliario por determinadas áreas de la ciudad y datos numéricos del IBGE, Instituto Brasileiro de Geografía y Estadística, se clasifican en esta investigación las regiones de mayor concentración del tipo de edificio estudiado. De esta manera, es posible obtener informaciones y características más precisas del entorno urbano considerado para los cálculos y simulaciones de esta investigación.
Esta investigación arriba descrita, cuenta con una evolución histórica, que empieza explicando todo el inicio de las construcciones de edificios verticales, llegando al inicio de esta producción en São Paulo. El período de los años 30 hasta 50 se caracteriza por la construcción de los altos edificios en la región central de la ciudad. Edificios que seguían la Escuela de Chicago y el movimiento moderno produjeron un escenario de arquitecturas reconocidas en la historia.
En seguida, en los años 50-60, surge una ley que permite la construcción de edificios comerciales y públicos en la Avenida Paulista, que futuramente se tornaría un gran polo de grandes edificios que se espejan en la arquitectura de las altas torres de New York. Este período caracterizado por la saturación del centro, intensificó la expansión del centro y la búsqueda por nuevas áreas para el crecimiento de la ciudad.
Este crecimiento de tipo radio-céntrico, se direccionó a la Avenida Paulista, Itaim y marginales de los ríos Pinheiros y Tietê. La región de Higienopolis, Perdizes y Pacaembu se tuvieron crecimiento de edificios verticales, pero para fines residenciales y el rededor del río Tietê tuvo proyectos de carreteras para la conexión con el litoral y desenvolvió un área más industrial.
Durante los años 60, se intensificaba el dislocamiento de los edificios comerciales a partir del centro en dirección al sur de la ciudad. La Avenida Paulista fue la primera expresión de este dislocamiento y es hasta hoy muy reconocida por sus altos
32
edificios que empezaban a ser construidos en esta época, como el Edificio Conjunto Nacional, de 1957, que además de oficinas, incluye tiendas, agencias bancarias, cines y cafés. Posé 26 plantas y dos subsuelos y hasta hoy es utilizado como un edificio comercial multiuso.
Otros edificios con uso mixto surgieron a partir de este ejemplo y en su gran mayoría tenían características marcadas de la producción arquitectónica de este periodo, la llamada arquitectura moderna. Así, muchos edificios, como el ejemplo arriba, eran elevados sobre pilotis, con un volumen único macizo y tenían elementos vasados o brises soléis en las fachadas.
Fig. 5. Foto del Edificio Conjunto Nacional desde la Avenida Paulista.
Con el agotamiento de terrenos en la Avenida Paulista y el encarecimiento del área, surge un interés en construir en áreas más al sur de São Paulo, en la región del bario Itaim y Vila Olimpia. Como son barios uno al lado del otro y que contienen características muy semejantes, en este trabajo se considera como el área de la Avenida Brigadeiro Faria Lima . Tratase de una gran avenida que engloba los dos barios e importantes centros comerciales, bancos, oficinas y empresas.
Los primeros edificios ahí construidos eran de estructura de hormigón aparente con marcos en aluminio y brises soléis o elementos de fachada también en hormigón aparente. “Ya los edificios posteriores a esta primera fase, presentan novedades como pieles de vidrio laminado y los llamados edificios “inteligentes” que se utilizan de la tecnología disponible para automatización de sistemas de control y gerenciamiento global del edificio” (Fialho Novelli, Roberto 2007: 193).
Luego después de la valorización de los terrenos de la Paulista y Faria Lima y los precios cada vez más altos de los mismos, empezaron a distribuirse en ejes próximos a esta avenida en dirección más a sur y oeste, cada vez más cerca del río Pinheiros y llegando a formar un nuevo centro de emprendimientos comerciales en la Marginal Pinheiros y Avenida Luis Carlos Berrini. Estas dos vías, muy cercanas una de la otra,
33
contienen características muy parecidas y por la producción expresiva de edificios de oficinas en la Avenida Berrini, en este trabajo, se considera el área de esta avenida como la producción general más importante de esta tipología.
Ya en 1992, la Avenida Berrini concentraba volumen de construcción equivalente al de toda la Avenida Faria Lima. También ayudó a formar este nuevo polo comercial, el fato de estar cerca del Aeropuerto de Congonhas, de barios residenciales de medio y alto niveles y de la región ser plana.
Los edificios de esta avenida, implantados en la década de 90, son caracterizados por una arquitectura pos moderna, que enfatiza la tecnología de los emprendimientos con fachadas acristaladas, múltiplo uso y altas torres.
“ La concentración de realizaciones en las áreas de influencia de la Marginal Pinheiros, Berrini, Itaim y Vila Olimpia, regiones muy próximas y que se revezan como centros de expansión de la ciudad, soma en este contexto, más de 40% de la producción del período, sobrepujando la soma de las realizaciones del restante de la ciudad” (Fialho Novelli, Roberto 2007: 180).
Considerando este análisis histórico de la localización predominante de los edificios de comerciales y de oficinas, se concluye que la ciudad contiene hoy tres grandes áreas de mayor concentración de este tipo de edificación:
1 – Avenida Paulista, que a pesar de contener edificios más antiguos, se mantiene caracterizada por este tipo de edificación y actividad.
2 – Avenida Brigadeiro Faria Lima
3 – Avenida Luis Carlos Berrini.
Abajo siguen dos mapas con la localización de las tres avenidas (Atlas Ambiental de São Paulo http://atlasambiental.prefeitura.sp.gov.br/index.php):
Fig. 6. Mapa Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo(Atlas Ambiental
Fig. 7. Ampliación del Mapa (Atlas Ambiental
Leyenda:
Avenida Paulista
Mapa Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo(Atlas Ambiental - http://atlasambiental.prefeitura.sp.gov.br/, 2013)
Ampliación del Mapa Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo(Atlas Ambiental - http://atlasambiental.prefeitura.sp.gov.br/, 2013)
34
Mapa Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo , 2013)
Geopolítico de la Región Metropolitana de São Paulo , 2013)
35
Avenida Brigadeiro Faria Lima
Avenida Luis Carlos Berrini
A seguir, siguen imágenes de la región de cada avenida analizada.
Fig. 8. Vista desde arriba de la Avenida Paulista por la noche.
Fig. 9. Vista superior de la Avenida Faria Lima
Fig. 10. Vista de arriba de la avenida y sus edificios.
36
3.2 – Características del entorno de las avenidas analizadas
A partir de la observación de los planos urbanísticos de las tres avenidas estudiadas, los edificios del entorno y las distancias más utilizadas entre los edificios, es posible hacer consideraciones importantes acerca de la captación solar y sombras en las fachadas. Es importante considerar que la ciudad no contiene un plano urbanístico regular y los tamaños de calles y distancias entre los edificios no hacen parte de un padrón y cambian bastante de una situación a otra. O sea, cada edificación debe ser analizada separadamente si necesario un estudio de caso más preciso.
En esta investigación se considera las características más constantes que aparecen en las observaciones de las tres avenidas. Son importantes para el análisis del comportamiento térmico de las fachadas del edificio modelo las siguientes características del entorno:
- Distancia del edificio modelo a las edificaciones vecinas. - Altura de los edificios vecinos y sombras proyectadas por estos. - Horas y partes de las fachadas del edificio modelo con sombra.
Abajo sigue un análisis hecho en la Universidade Federal de São Paulo sobre la escala del pedestre, donde se puede observar las diferencias de espacios entre los edificios de la avenida Paulista y Faria Lima. Para complementar el análisis de las tres avenidas, se hizo el mismo esquema para la avenida Berrini.
AV. PAULISTA AV. FARIA LIMA AV. BERRINI
Fig. 11. Análisis de la escala del pedestre y espacios entre los edificios de la Paulista y Faria Lima (http://www.usp.br/fau/cursos/graduacao/arq_urbanismo/disciplinas/aut0221/Trabalhos_Finais_2012-2/Edficios_Altos_X_Escala_do_Pedestre.pdf, 2013).
37
Los tres diseños urbanos considerados contienen características muy parecidas, como la disposición de las cuadras más cercanas a las avenidas principales y el trazado ortogonal de las calles alrededor. Lo que cambia un poco de un mapa a otro, es la anchura y profundidad de las cuadras, bien como el espacio entre edificios vecinos, lo que afecta la incidencia solar directa en las fachadas. En los tres casos, la fachada direccionada a la avenida, que es el espacio más ancho, permite la insolación en todos los pavimentos de los edificios. Las demás fachadas son afectadas por las edificaciones alrededor, que proyectan sombras y interfieren en la captación solar durante en día y en el comportamiento térmico de los edificios.
El análisis de las características del entorno urbanístico de los lugares donde se concentran las oficinas en São Paulo, permite evaluar cuanto influyen los edificios alrededor en las simulaciones térmicas.
Para la determinación del entorno teórico, son consideradas características de las
áreas de las tres avenidas, que influyen directamente en la captación solar de los edificios. A partir de estas características, son establecidas las medias entre las tres áreas para determinar un diseño del alrededor del edificio modelo a simular.
Avenida Paulista Avenida Faria Lima Avenida Berrini
Ancho avenida (m) 50 45 40
Ancho calles alrededor (m) 20 15 15
Distancia media entre edificios (m) 12 20 16
Altura media de edificios (m) 90 70 80 Tabla. 11. Características de las avenidas de estudio, consideradas en las simulaciones térmicas.
(Elaboración de la autora).
En la tabla arriba, las características marcadas en color son las intermedias entre las tres áreas de cada ítem considerado. Estas son las determinantes del diseño del entorno teórico.
Los análisis de las avenidas y entornos donde se concentran los edificios de oficinas de São Paulo, sumados al estudio de las características más importantes de estas áreas, son utilizados como base para la determinación del entorno modelo teórico, detallado en el capítulo 5 de esta investigación.
38
4. El edificio
39
4.1 Los edificios de oficinas en São Paulo
Cuando se habla del confort en un edificio, una de las más importantes consideraciones iníciales es el uso, o sea, para que actividades está destinado.
A partir del uso se determinan los factores que influyen en el control de las temperaturas interiores y el confort térmico:
- Las horas que será ocupado, - Los tipos de actividades realizadas (si son de baja o alta intensidad), - El perfil de los usuarios y sus vestimentas, - Si contiene equipos electrónicos o que aportan energía térmica, - Los tipos de los equipos extra y las horas de encendidos, - Como es la iluminación artificial, - La distribución de las actividades y usuarios, entre otros factores.
En esta investigación el edificio analizado tiene uso de oficina y por lo tanto, las predeterminaciones para del confort están relacionados a este tipo de uso.
Las oficinas se comportan de manera distinta en todo el mundo, bien como otros tipos de usos. En São Paulo la gran mayoría presenta carga horaria, perfiles de usuarios y vestimentas similares. Lo que tiene más diferencias entre las oficinas son los equipos que contiene cada una, tipo y cantidad de iluminación artificial y el tipo de actividad, que puede presentar un poco más o menos intensidad y que aportan más o menos energía térmica al ambiente.
Las oficinas de São Paulo suelen tener la jornada de trabajo de las 8 a las 17 horas, con una hora de almuerzo de las 12 a las 13 horas. Muchas de las grandes empresas contienen funcionarios que revezan las horas de trabajo, empezando un poco más tarde y por tanto los edificios están ocupados en media hasta las 19 horas. En los finales de semana suelen no funcionar, además del servicio de seguridad y portería.
Por la noche, de las 19 horas a las 8 de la mañana del día siguiente también solo está el servicio de seguridad, que necesita simplemente sistema básico de iluminación por pocas luminarias.
Resumidamente el confort de los usuarios de los edificios de oficina es pensado para el periodo de 8 a 19 horas de lunes a viernes, o sea, 11 horas diarias y 55 horas semanales. De esta forma, la variabilidad térmica día-noche es poco significativa en este estudio.
El ítem “A” de este capítulo aporta el estudio de caso de algunos edificios de oficinas existentes en la ciudad de São Paulo. Son seleccionados edificios que son de importancia histórica, que se sobresale en el sector comercial estudiado o que contienen interesantes características formales y de composición de materiales para el análisis.
40
De cada edificio seleccionado, son observadas las plantas, secciones y alzados, para evaluar sus características, como la forma, materiales de construcción y disposición de ambientes. A partir de esto se observa las características más importantes y comunes entre los edificios, que serán consideradas para la determinación del modelo para las simulaciones.
La tesis (M.M.Q. Carvalho, E.L. La Rovere, A.C.M. Gonçalves, 2010), que contiene un análisis de la evolución histórica de los edificios de oficina en la ciudad considerada y donde fueron implantados, sirve de base para direccionar la selección de edificios para esta investigación y, a partir de eso, buscar las informaciones importantes de las características de cada edificio y llegar a un modelo de edificio teórico.
De los edificios aquí analizados, parte son seleccionados de esta tesis, por su importancia histórica y en el sector de oficinas, son los siguientes: Edificio Conjunto Nacional, Edificio Naçoes Unidas, Centro Empresarial Itausa, Centro Empresarial Naçoes Unidas, Centeco Plaza, Plaza Centenario, Rochaverá y Complexo WTJK.
Los otros seis edificios fueron seleccionados a partir de los mismos criterios utilizados por la tesis arriba descrita, o sea, acompaña la evolución histórica de las avenidas donde se localizan predominantemente las oficinas en la ciudad y también hacen parte de edificios reconocidos históricamente. Además, siguen la evolución del uso de nuevas soluciones de composición de fachadas y se trata de edificios más recientes, pues surgieron nuevos desde la conclusión de la tesis arriba considerada.
4.1.1 - Análisis de los edificios de oficina existentes en São Paulo
El análisis de algunos edificios de oficinas existentes en la ciudad investigada es importante para que se pueda verificar algunas características que serán utilizadas para establecer un modelo de edificios teórico, con el cual serán hechas simulaciones dinámicas del comportamiento térmico. Al analizar algunas importantes oficinas de São Paulo, se puede verificar el periodo de ocupación más común, el número de plantas más usual, las dimensiones de los edificios, bien como características de los materiales constructivos. Con este estudio, se determinan las características más usuales y se determina un edificio modelo para los análisis de las simulaciones.
Para esta investigación, fueron seleccionados 15 edificios de la ciudad de São Paulo, con los cuales se obtuvieron algunas características constantes entre ellos y que sirven de ejemplo para la determinación del edificio modelo de las simulaciones.
Las características de los edificios consideradas para el análisis fueron: número de plantas del, forma geométrica determinante de la planta, posicionamiento del núcleo de servicios de circulación vertical y baños y los materiales constructivos de estructuras, piel y marcos de las ventanas de la piel.
41
Se pudo observar que cuanto al material constructivo utilizado en la estructura de todos los edificios fue el hormigón armado y cuanto al material de los marcos de las ventanas, todos utilizaron el aluminio. En casi todos, la planta es utilizada de forma libre, sin divisiones o paredes previamente construidas para la separación de distintos ambientes, o sea, son plantas compuestas básicamente de una zona libre de oficinas y una zona de servicios y circulación vertical.
La siguiente tabla compone un resumen de las características consideradas:
Tabla. 5. Características de edificios de São Paulo, (elaboración de la autora).
4.1.2 - Determinación de la tipología de edificio de oficinas más constante
La producción arquitectónica de los últimos años muestra edificios con fachadas de formas osadas y pieles de vidrio, que más últimamente son cristales especialmente tratados para transmitir poca energía térmica al interior y buenos niveles de iluminación natural.
Las fachadas recubiertas con brises soléis y elementos de sombra, que aparecen en los edificios de los años 50, 60 y 70, aparecen cada vez menos con el pasar de años. Un ejemplo claro del cambio a fachadas más acristaladas es el Conjunto Empresarial Itausa, que implementó un nuevo edificio con todas las fachadas acristaladas, distinto de los antiguos predios que mesclaban el cristal y placas opacas.
En la producción arquitectónica de edificios comerciales, los volúmenes únicos y macizos son predominantes.
La planta libre es claramente la más frecuente que las plantas fraccionadas o mixtas en los edificios de oficina de São Paulo. En casi todos los casos, la planta tiene un núcleo de servicios, sanitarios, escaleras y ascensores, mientras que la distribución de las zonas de trabajo y mesas son de forma libre por el restante de la planta. Lo que cambia entre los edificios analizados es que en algunos, el núcleo de servicios está en el centro y en otros, en una parte de una de las fachadas. Pero siempre aparece de forma concentrada para poder aprovechar al máximo el restante de la planta para el espacio de trabajo.
42
De los 15 edificios estudiados, 9 poseen núcleo de servicios en el centro de la planta y 6 en las fachadas.
En su gran mayoría, las torres de edificios poseen alrededor de 20 a 25 pavimentos. Algunos pocos pasan de 30 y algunos otros conjuntos de edificios comerciales tienen más o menos 15 andares.
La media ponderada de número de pavimentos de los edificios analizados es 23 pavimentos. Esa fue la cantidad de pavimentos utilizada para el modelo de edificio a simular en esta investigación.
Los edificios estudiados de las épocas más antiguas, que son del centro y avenida Paulista, presentan formas rectangulares, gran parte por el formato del terreno. Los predios más recientes, o presentan planta cuadrada o formas osadas, con las puntas arredondeadas, por ejemplo.
En la tabla abajo, se encuentra la cantidad de edificios analizados que tienen determinada forma de planta tipo:
Grafica 11. Formato de planta de los edificios analizados. (Elaboración de la autora)
Las dos formas que más aparecen son la cuadrada y rectangular, siendo por poca diferencia, la cuadrada, la que más ocurre.
Cuanto a los materiales, predomina la estructura de hormigón armado, marcos de aluminio. Una parcela contiene estructura mixta de hormigón armado y acero, pero pocos los que son solamente de acero.
En la tesis doctoral “Edificios de escritorios na cidade de São Paulo” (Fialho Novelli, Roberto 2007), donde fueron analizados 134 edificios, se obtuvo una tabla con los materiales utilizados en las fachadas de estos edificios. La fachada de vidrio por mucha diferencia es la más constante, seguida por el hormigón aparente, granito y luego paineles de aluminio compuesto. Después aparecen cerámica, paineles pre moldados y ladrillo aparente. La tabla abajo resume las composiciones de fachadas encontradas en
0
1
2
3
4
5
6
7
Rectangular Cuadrada Arredondeado Outras formas
43
los 15 edificios aquí analizados, bien como la cantidad en que aparece cada composición material.
Grafica 12. Composiciones de las fachadas de los edificios analizados. (Elaboración de la autora)
El parámetro que más cambia de un edificio a otro son las dimensiones de las plantas. Esto depende del terreno, de la normativa de construcción de cada área para los recuos, etc. El primer edificio es el que tiene la mayor dimensión de uno de los lados, 80 metros de longitud y 15 metros de ancho. Los otros edificios rectangulares tienen: 60 x30; 40x15; 50x15; 35x20; 15x10 metros. Los que tienen planta cuadrada son o de 40x40 o 30x30 metros.
En el capítulo 5, se determina el edificio modelo utilizado para simulaciones dinámicas de esta investigación, con base en el estudio presentado en este capítulo.
4.2 El confort y Abaco Psicométrico - Estrategias de diseño de los edificios.
La sensación de confort de los usuarios de cualquier tipo de edificación es un tema subjetivo, pues depende de muchos factores como la cultura, experiencias anteriores de cada persona y factores psicológicos. A pesar de esto, existen diversos estudios sobre el confort humano relacionados al local y las actividades realizadas. Esta investigación se basará en el Abaco Psicométrico de Givoni para determinar las zonas de confort térmico de los usuarios, bien como las determinaciones de diseño arquitectónico.
Basada en cálculos, la variación de temperaturas de confort sugerida por Givoni para personas que habitan países desarrollados es de 18ºC a 25ºC para invierno y de 20ºC a 27ºC para verano, con contenido de vapor de agua máximo de 4 g/kg. Para países en desarrollo y de clima cálido, sugiere elevar 2ºC la temperatura máxima y
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Placas pre fabricadas de hormigón
Hormigón + ventanas de vidrio
Piel de vidrio
Piel vidrio y placas de ACM
Piel de vidrio y poco hormigón
Placas de ACM + ventanas de vidrio
Nº Edificios
44
2g/kg el valor del contenido de vapor de agua. Por lo tanto, la zona de confort de Givoni (1992), para países como Brasil, considera aceptables las temperaturas internas en un rango de 18ºC a 29ºC.
Para São Paulo, ciudad localizada en un país en desarrollo, y para el uso de oficinas, el programa computacional de cálculos utilizado en esta investigación, determina como base la zona de confort entre las temperaturas de 18º a 28ºC y contenido de vapor de agua máximo de 6 g/kg.
Considerando las estrategias de ventilación natural del proyecto, se puede llegar a delimitación de temperaturas aceptables para el interior de 32ºC, con ventilación de 2 m/s. Con relación a la humedad, los límites son de 4 g/kg a 17 g/kg e 80% de humedad relativa.
El Abaco Psicométrico de Givoni evalúa la relación del confort térmico humano, el clima y la arquitectura y así fornece directrices de diseño arquitectónico bioclimático. Tiene en cuenta las características de temperatura del aire, humedad relativa y ventilación para fornecer estas directrices de confort.
Con la temperatura del aire y humedad relativa de cada mes, se posiciona estos valores adecuadamente en el gráfico para encontrar las líneas referentes a cada mes del rango de variaciones máximas y mínimas. Las líneas estarán posicionadas en regiones del gráfico en el cual cada una significa una directriz para adecuar el diseño arquitectónico.
Las zonas de confort y corrección con arquitectura del grafico de Givoni son:
CI – Zona de confort de invierno
CV – Zona de confort de verano
V – Zona de control posible con ventilación
IV – Zona de control posible con inercia en verano
II – Zona de control posible con inercia en invierno
E – Zona de control posible con refrigeración evaporativa.
45
Fig. 12. Abaco Psicométrico de Givoni y zonas de confort y de corrección con arquitectura.
4.2.1 - Análisis del confort y estrategias de diseño en São Paulo
El programa ANALYSIS BIO es una herramienta que ha sido desenvuelta en Brasil por el Laboratorio de Eficiencia Energética de la Universidad Federal de Santa Catarina, UFSC – LABEEE Brasil, para obtener el porcentaje de confort térmico en la zona de confort considerada por Givoni y el porcentaje de disconfort. Además de las zonas consideradas por Givoni, agrega algunas zonas más, donde es posible obtener confort con técnicas artificiales agregadas al diseño arquitectónico, como el aire condicionado por ejemplo. Esas zonas están fuero de lo que es resuelto por las técnicas naturales de la arquitectura.
Insertando datos de temperaturas del aire medias, medias máximas y mínimas y de humedad relativa, desde esta herramienta se obtiene un gráfico adaptado del Abaco de Givoni, con indicaciones de las zonas posibles de confort y directrices de diseño arquitectónico. Además, fornece un informe del porcentaje de horas de confort y las directrices adecuadas a cada mes y situación.
Las zonas del grafico consideradas en el programa son las siguientes:
1 - Confort 2 - Ventilación 3 - Resfriamiento Evaporativo 5 – Aire Condicionado
46
6 – Humidificación 7 – Alta Inercia Térmica / Calentamiento Solar 8 – Calentamiento Solar Pasivo 9 – Calentamiento Artificial (calefacción) 11 – Ventilación / Alta Inercia / Resfriamiento Evaporativo 12 – Alta Inercia / Resfriamiento Evaporativo
Grafica 13. Abaco Psicométrico del programa ANALYSIS BIO, referente a la ciudad de São Paulo.
Las líneas que aparecen en las zonas son creadas a partir de las temperaturas y humedades relativas de cada mes. Las más altas se refieren a los meses de verano y las más bajas, de invierno. Es posible ver, por ejemplo, que la línea verde oscura, referente al mes de julio, situase en la zona 8 que direcciona el diseño al calentamiento solar pasivo. De esta forma se puede analizar todos los meses.
Con el informe de la herramienta Análisis se obtuvo un resumen de los resultados:
- Porcentaje de temperaturas en la zona de confort: 60,5 % - Porcentaje de temperaturas fuera del confort: 39,5 %
Para el porcentaje de temperaturas que salen de la zona de confort, también aparecen en el informe las recomendaciones de proyecto arquitectónico:
Estrategias Bioclimáticas para São Paulo
Calor Frío
Ventilación Natural: 40% Calentamiento Solar Pasivo: 35%
Resfriamiento Evaporativo: 6% Calentamiento Solar Pasivo / Inercia: 30%
Masa para resfriamiento: 10% Calentamiento Artificial: 4%
Tabla 6. Estrategias bioclimáticas para São Paulo (Elaboración de la autora a partir del informe del programa ANALYSIS BIO.
47
Esta tabla informa que las estrategias más importantes son: ventilación natural en verano y el calentamiento solar pasivo, seguido por la masa térmica de inercia para invierno.
4.3 La envolvente del edificio
La envolvente de una construcción es la capa que separa en interior, sus usuarios y actividades del exterior. Es también lo que contiene características que definen las pérdidas y ganancias térmicas de un edificio por el intercambio con el exterior.
La función principal de esta capa es ofrecer protección, resistencia, durabilidad y poder regular la temperatura, aire y humedad que provienen del exterior. Es la barrera que proporciona al interior formas de regular sus características térmicas, lumínicas y acústicas.
En el apartado del tratamiento de la piel en el libro “Arquitectura y Energía Natural” (Serra y Coch, 1995), habla básicamente de la permeabilidad del edificio frente a las manifestaciones energéticas exteriores.
“(Serra y Coch, 1995) analizaron la piel del edificio a través de los siguientes aspectos: Asentamiento, Adosamiento, Pesadez, Perforación, Transparencia, Aislamiento, Tersura, Textura, Color y variabilidad de las características de la piel.” (Atem, 2012).
Esta investigación se centrará en evaluar el color, la transparencia, pesadez y algunos conceptos del aislamiento. El concepto de perforación también es de gran importancia para este análisis del comportamiento térmico de las composiciones de fachadas de los edificios. A principio será tratado como factor fijo, o sea, que no se cambia de una simulación a otra y por lo tanto no será un factor determinante de los resultados.
El color tiene relación con la reflexión y la absorción de la radiación que llega a un determinado material. La energía radiante que incide en una superficie opaca, es parte absorbida y otra parte se reflete. La energía absorbida tiene relación directa con el color de la superficie. Abajo sigue una tabla con los valores de observancia de algunos materiales y colores:
48
Tabla. 7. Valores de Absortividad de materiales (ABNT, 2005).
Transparencia: Es la relación entre la “superficie vidriada” y la “superficie global de piel” de un edificio.
Concepto relacionado al paso de radiación solar. Si el edificio es transparente, deja pasar luz además de parte de la radiación calorífica de procesos de absorción y reemisión, que ocurre también en una superficie opaca.
Térmicamente este concepto se relaciona de forma importante al efecto invernadero. Un edificio muy transparente puede captar mucha energía radiante, que atraviesa el vidrio en una longitud de onda corta, es absorbida por las superficies y remitida en ondas largas, que ya no pueden volver a atravesar el vidrio.
Las superficies de vidrio también presentan altas perdidas de calor por transmisión, así que los espacios definidos por esta envolvente, tienen riesgos grandes de generar fuertes oscilaciones térmicas.
Pesadez: “La pesadez de la piel es una cualidad física que depende de la composición constructiva específica de los cerramientos del edificio.” (Serra y Coch, 1995).
Aislamiento: está relacionado a la resistencia de la piel al paso de calor por conducción. El aislamiento de un material se establece a través de su coeficiente global de perdidas térmicas, o sea la “U”.
La perforación de un edificio está relacionada a la permeabilidad de su piel al paso del aire. Depende del tamaño y posición de sus aberturas y es una característica que cambia dependiendo de los usuarios. Estos pueden cambiar el grado de perforación, por ejemplo: cerrar las ventanas en invierno y abrirlas en verano.
49
En esta investigación el interés es analizar el comportamiento térmico de las composiciones materiales de las fachadas, más bien que las mejoras que se puede lograr en el confort térmico interior al cambiar el nivel de perforación del edificio. De esta manera, se establecerán, valores fijos para la perforación y las renovaciones horarias de aire de los ambientes, tanto para invierno, como para verano.
4.3.1 - Transferencia térmica de la envolvente
La conducción de calor, es una característica específica de cada material que permite el pasaje de una corriente calorífica. Eso ocurre cuando dos medios o dos cuerpos conectados presentan temperaturas distintas. La transmisión de calor se da del cuerpo más cálido al más frio.
Existen tres formas de ocurrir la transmisión de calor por una envolvente, como explicado abajo.
Fig. 13. Mecanismos de transferencia de calor (http://dc247.4shared.com/doc/58YFhKgz/preview.html)
Conducción
Es la transferencia de energía a través de las moléculas, cuando partículas más energéticas (más cálidas) entran en contacto con partículas menos energéticas (menos cálidas). Cuando las partículas poseen niveles energéticos distintos, coliden y parte de la energía cinética de la partícula más energética es transferida a la de menor nivel
Cuando existe una diferencia
de temperatura (ΔT)
Transferencia de
energía térmica
Transferencia de
energía térmica
CONDUCCIÓN
CONVECCIÓN
RADIACIÓN
Conducción
Radiación
Convección
50
energético. Cuanto más alta la temperatura, más rápido se mueven las partículas y más fácil es la transmisión de calor.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor entre cuerpos separados en el espacio, mismo que haya vacuo entre ellos, sobre la forma de ondas electromagnéticas. Parte del calor de un cuerpo se transforma en energía radiante que es transmitida al cuerpo más frío, que la absorbe en una proporción definida por sus propiedades.
Convección
La convección solo ocurre cuando por lo menos uno de los cuerpos es un fluido y están en contacto molecular. En este caso la energía es transferida del cuerpo cálido al frío a través de las acciones combinadas de: conducción, almacenamiento de energía y movimiento de mistura, o movimiento convectivo. El calor se transmite por conducción y el fluido al sufrir la modificación de su temperatura, cambia de densidad provocando el movimiento convectivo.
4.3.2 Características y propiedades térmicas de los materiales
En esta parte de la investigación son explicadas las características que influyen en los cálculos de las propiedades de los materiales considerados en las simulaciones.
Las principales características térmicas de los materiales son: la conductividad térmica (λ), densidad (ρ), calor específico (Cp), calor especifico volumétrico (ρCp), difusividad térmica (a) y la efusividad térmica (b).
a) La conductividad térmica (λ) – Unidad: W/mK (cociente del flujo térmico por el gradiente de temperatura).
Es una característica de los materiales relacionada a la transferencia de energía térmica por conducción, o sea, la capacidad del material de conducir calor. Los materiales menos conductores son los llamados aislantes.
Los productos de construcción y sus fabricantes declaran un valor constante de conductividad térmica o de la resistencia térmica del material
Material Conductibilidad térmica (a 27oC)
κ=[J/sm.K]=[Wm.K]
Plata 426
Cobre 398
Aluminio 237
Concreto Armado 1,75
Ferro 80,3
51
Vidrio 0,72 - 0,86
Agua 0,61
Ladrillo 0,4 - 0,8
Madeira (piño) 0,11 - 0,14
Fibra de vidrio 0,046
Espuma de polietileno 0,033
Ar 0,026
Espuma de poliuretano 0,020
Polipropileno 0,25
Epoxi 0,30 Tabla. 8. Conductibilidad Térmica de algunos
materiales. (http://www.fisica.net/constantes/condutividade-termica-(k).php).
b) La densidad (ρ) – kg/m³
Característica que define la cantidad de materia que hay en una unidad de volumen.
Es la relación entre la cantidad de masa (kg) partido por el volumen unitario (m³). Como explica la formula, la densidad es inversamente proporcional al volumen, o sea, cuanto menor el volumen ocupado por determinada masa, mayor será su densidad. Como el volumen es una grandeza física que cambia con la temperatura y presión, la densidad también dependerá de estos dos factores.
c) Calor específico (Cp) – J/kgK (Joule por kilogramo por kelvin).
Es la cantidad de calor necesaria (J) para aumentar 1 grado (K) una unidad de masa de un material (kg). Define la variación térmica de determinada substancia cuando recibe determinada cantidad de calor.
La tabla abajo contiene el resumen de las características térmicas de algunos materiales:
52
Tabla. 9. Propiedades térmicas de algunos materiales (Gonzales, 2002).
Una propiedad térmica es la respuesta o reacción de un material a la aplicación de calor. Con las características arriba descritas, es posible calcular las propiedades de los materiales de cerramiento de un edificio. Las que serán analizadas en esta investigación son: Resistencia térmica (R), Aislamiento térmico, Transmitancia térmica (T), Capacidad térmica (CT), Inercia térmica y Factor Solar (FS).
Algunas propiedades están directamente relacionadas a otras o son el inverso de otra, como es posible percibir al analizar cada una de ellas:
a) Resistencia Térmica (R) – es la capacidad del material de retener el calor o la dificultad de la transmisión de calor, determinada por el cociente entre la espesura del material (E) y su conductividad térmica (λ).
R(m².K/W) = E (m) / λ (W/mK)
b) Aislamiento Térmico – es la capacidad del material de impedir el pasaje de calor por si. Es caracterizado por la alta resistencia térmica. Cuánto más resistencia térmica, más aislante es el material. También son materiales de bajas difusividad y
53
efusividad térmica y son muy utilizados en países de climas fríos para bloquear el paso de calor de los ambientes interiores al exterior.
Es considerado aislante térmico los materiales que tiene conductividad térmica (λ) < 0,10 W/m²K y tienen la capacidad de mantener la temperatura, del ambiente en que están aplicados, casi constante.
Son utilizados aislantes, los materiales porosos o fibrosos como la lana de roca, fibra de vidrio, polietileno y espumas de poliuretano.
c) Transmitancia Térmica (T) – es la medida de calor que fluye por unidad de tiempo y área, transferido por un sistema constructivo entre los ambientes que o separa. Su valor es denominado la U, medida en W/m² ºC o W/m² K, y incluye la resistencia térmica de las dos caras del sistema constructivo. Cuanto menor el valor de la U, menor será el paso de energía entre ambas las caras y por lo tanto, mejor será la capacidad aislante del elemento constructivo.
d) Capacidad térmica (CT) – se mide en J/K.
Es la relación entre la cantidad de calor que recibe o cede un cuerpo y la variación de temperatura observada en este, o sea, la cantidad de calor necesaria para cambiar una unidad de temperatura. No depende solo de las substancias del material, es también proporcional a la cantidad de material presente en el cuerpo.
Es interpretada como una medida de inercia térmica.
e) Inercia
La inercia térmica es una propiedad relacionada a la densidad, el calor específico y la capacidad térmica de un material. Es caracterizada por la resistencia ofrecida por los sistemas constructivos a los cambios térmicos. Cuanto mayor la inercia térmica de un edificio, más lento es la velocidad que cambia su temperatura almacenada, o sea, más lento sube o baja su temperatura. Cuanto menor la inercia, más la edificación se asemeja al sistema exterior de variaciones de temperatura.
Existen dos conceptos más relacionados a la inercia:
- Retraso (φ ): tiempo entre la variación térmica de un medio y la manifestación
en la superficie opuesta de un componente constructivo.
- Amortiguamiento (µ): capacidad de disminuir la amplitud de variaciones térmicas.
f) Factor Solar (FS)
Es el cociente de la radiación solar transmitida por un material por la tasa de radiación solar incidente sobre su superficie externa. Es la suma de la transmisión
54
directa de la radiación por el material más la absorbida y remitida por el mismo al interior del espacio.
Ese factor depende del material, del color y de la transparencia del elemento. También cambia con el ángulo de incidencia de la radiación solar.
4.3.3 Propiedades superficiales de los materiales
Las propiedades superficiales de los materiales pueden afectar de manera significativa su desempeño térmico, por lo que es necesario tomarlas en cuenta en el momento de su elección para el diseño arquitectónico. Esto es especialmente importante para los materiales que conforman las capas externas de los cerramientos.
a) Absortancia
La absortancia representa la fracción de radiación incidente que es absorbida por un material, con valores que van de 0,0 a 1,0, aunque también se puede expresar en porcentaje, de 0% a 100%. La absortancia, o absorción superficial, depende principalmente del color y acabado del material.
La absortancia puede ser establecida en relación con radiaciones de diferentes longitudes de onda. Debido a ello es común encontrar tres formas distintas de absortancia: solar, visible y térmica. (Observación: estos valores son requeridos por el programa utilizado para las simulaciones en el próximo capítulo).
La absortancia solar incluye el espectro visible, el infrarrojo y el ultravioleta y es un parámetro utilizado para estimar la forma en que la radiación solar afecta el balance térmico de las superficies de los elementos constructivos.
La absortancia visible representa la fracción de radiación que el ojo humano puede ver y que incide y es absorbida por un material. . En ese sentido el rango de longitudes de onda considerado es mucho más estrecho que en el caso de la de radiación solar, ya que no se incluye el espectro infrarrojo ni el ultravioleta. Este parámetro también afecta el balance térmico superficial, aunque generalmente se emplea en los cálculos de iluminación.
Un tercer valor es el de la absortancia térmica, el cual se puede considerar un parámetro equivalente a la emitancia. La absortancia térmica representa la fracción de la radiación incidente de onda larga (longitudes de onda infrarrojas) que es absorbida por un material. Este parámetro afecta el balance térmico superficial, pero suele usarse para calcular los intercambios de radiación de onda larga entre varias superficies. Al igual que en los casos anteriores, los valores de la absortancia térmica van de 0.0 a 1.0, donde 1.0 representa las condiciones de un cuerpo negro ideal, el cual absorbería toda la radiación de onda larga incidente.
b) Emisividad
La emisividad de un material representa la proporción entre la energía radiada por dicho material y la energía que radiaría un cuerpo negro ideal, dada la misma
temperatura y la misma superficie. En ese sentido se trata de una capacidad de un material para absorber y radiar energíaideal un valor de 1.0, entonces cumenor a 1.0.
Además de la temperatura, la emisividad depende de factores como las condiciones de las superficies (pulidas, oxidadas, grado de rugosidad), el ángulo de emisión y la longitud de onda. Sinla absortividad de una superficie no dependen de la longitud de onda, sino que son constantes. Esto se conoce como el
En la siguiente tabla se muestran los valores de absortancia algunos materiales comunes en la edificación:
Tabla 10. Absortancia y emisividad de materiales (Fuentes: M. Evans, 1980 y B. Givoni, 1976)
c) Reflectividad y reflectancia
En óptica y termodinámica, laincidente que es reflejada por una superficie. En términos generales la reflectividad se considera una propiedad direccional, ya que además de la longitud de onda, depende de la dirección de la radiación incidente y de la dirección de l
Muchas superficies pueden catalogarse como especulares o difusas. Las superficies especulares, como el vidrio o los metales brillantes, son aquellas cuya reflectividad es cercana a cero en todas las direcciones, excepto en el ángulo reflexión correspondiente. En cambio las superficies difusas, como la pintura blanca mate, presentan valores de reflectividad iguales (o casi iguales) en todas las direcciones. Sin embargo, en la realidad casi todas las superficies presentan una cierta reflectividad difusa y especular.
En ciertos campos, la reflectividad se distingue de laque la primera es un valor que se aplica para capas reflejantes gruesas, mientras que la segunda aplica para capas delgadas. Cua
temperatura y la misma superficie. En ese sentido se trata de una medida de la capacidad de un material para absorber y radiar energía. Si asignamos al cuerpo negro ideal un valor de 1.0, entonces cualquier objeto real tiene una emisividad mayor a 0.0 y
Además de la temperatura, la emisividad depende de factores como las condiciones de las superficies (pulidas, oxidadas, grado de rugosidad), el ángulo de emisión y la longitud de onda. Sin embargo generalmente se asume que la emisividad y la absortividad de una superficie no dependen de la longitud de onda, sino que son constantes. Esto se conoce como el supuesto del cuerpo gris.
En la siguiente tabla se muestran los valores de absortancia solar y emisividad de algunos materiales comunes en la edificación:
Absortancia y emisividad de materiales (Fuentes: M. Evans, 1980 y B. Givoni, 1976)
Reflectividad y reflectancia
En óptica y termodinámica, la reflectividad representa la fracción de la radiación incidente que es reflejada por una superficie. En términos generales la reflectividad se considera una propiedad direccional, ya que además de la longitud de onda, depende de la dirección de la radiación incidente y de la dirección de la radiación reflejada.
Muchas superficies pueden catalogarse como especulares o difusas. Las superficies especulares, como el vidrio o los metales brillantes, son aquellas cuya reflectividad es cercana a cero en todas las direcciones, excepto en el ángulo reflexión correspondiente. En cambio las superficies difusas, como la pintura blanca mate, presentan valores de reflectividad iguales (o casi iguales) en todas las direcciones. Sin embargo, en la realidad casi todas las superficies presentan una cierta reflectividad difusa y especular.
En ciertos campos, la reflectividad se distingue de la reflectanciaque la primera es un valor que se aplica para capas reflejantes gruesas, mientras que la segunda aplica para capas delgadas. Cuando la reflexión ocurre en capas delgadas, los
55
medida de la . Si asignamos al cuerpo negro
alquier objeto real tiene una emisividad mayor a 0.0 y
Además de la temperatura, la emisividad depende de factores como las condiciones de las superficies (pulidas, oxidadas, grado de rugosidad), el ángulo de
embargo generalmente se asume que la emisividad y la absortividad de una superficie no dependen de la longitud de onda, sino que son
solar y emisividad de
Absortancia y emisividad de materiales (Fuentes: M. Evans, 1980 y B. Givoni, 1976)
ión de la radiación incidente que es reflejada por una superficie. En términos generales la reflectividad se considera una propiedad direccional, ya que además de la longitud de onda, depende de
a radiación reflejada.
Muchas superficies pueden catalogarse como especulares o difusas. Las superficies especulares, como el vidrio o los metales brillantes, son aquellas cuya reflectividad es cercana a cero en todas las direcciones, excepto en el ángulo de reflexión correspondiente. En cambio las superficies difusas, como la pintura blanca mate, presentan valores de reflectividad iguales (o casi iguales) en todas las direcciones. Sin embargo, en la realidad casi todas las superficies presentan una cierta mezcla de
reflectancia por el hecho de que la primera es un valor que se aplica para capas reflejantes gruesas, mientras que la
ndo la reflexión ocurre en capas delgadas, los
56
efectos de la reflexión interna pueden provocar que la reflectancia varíe de acuerdo al grosor de la superficie.
d) Rugosidad
La rugosidad de un material se suele expresar como el coeficiente entre el área real y el área aparente de su superficie. Si el área real es igual al área aparente el coeficiente de rugosidad es de 1.0. Es muy común, sin embargo, que el área real sea mayor al área aparente, en cuyo caso el coeficiente de rugosidad será mayor a 1.0 (nunca menor). Este parámetro afecta principalmente la convección superficial de los componentes constructivos.
En el capítulo 5, se encuentra, además del modelo teórico y parámetros constructivos fijos del edificio, la selección de las composiciones materiales para las simulaciones del comportamiento térmico de esta investigación, bien como las características y propiedades de cada composición material analizada.
57
5. El modelo teórico de esta investigación
58
Este capítulo trata del modelo teórico utilizado para los cálculos y simulaciones dinámicas del confort térmico con un programa computacional.
El modelo teórico engloba las características consideradas en las simulaciones del edificio: el entorno teórico, el edificio modelo y sus características constructivas fijas. Además el ítem 5.3, trata de las composiciones de las fachadas del edificio modelo, que son las características que cambian en las simulaciones y las cuales se proponen evaluar térmicamente.
5.1 El entorno urbanístico del edificio modelo
En este capítulo está explicado el entorno teórico considerado para las simulaciones térmicas, con base en los análisis de los entornos de las oficinas existentes de la ciudad.
Para las simulaciones del comportamiento térmico del edificio modelo, se considera este, primeramente, aislado del entorno, o sea, no se consideran las sombras producidas por las edificaciones alrededor. Así, el primer análisis es más teórico, donde su localización no está considerada.
Ya en una segunda aproximación, las simulaciones son hechas considerando un entorno, con interferencias de este en la captación solar. De esta forma, las simulaciones se acercan más a la realidad existente en la ciudad de São Paulo.
Como ya mencionado anteriormente, la ciudad no contiene un diseño urbanístico constante, así, cada situación debe ser analizada más objetivamente cuando necesario una investigación más precisa. Esta tesina considera una aproximación teórica que podrá ser utilizada como base para otros análisis futuros de edificios existentes o a construir en São Paulo.
La avenida Berrini, es la que contiene un entorno con más características generales intermedias entre las tres áreas. De esta forma, se considera una parte de esta avenida y su alrededor para las simulaciones que llevan en cuenta el entorno del edificio modelo.
Al analizar los edificios del área, se nota que en todos los casos, por lo menos una de las fachadas nunca recibe sombra de edificios del entorno y por lo menos una tiene influencia de alguna sombra proyectada. La gran mayoría recibe proyección de sombras en dos fachadas, ya que contiene altos edificios cercanos.
Abajo se encuentra la imagen aérea de la localización considerada para el edificio de análisis y su respectivo entorno. Los edificios coloridos son considerados como los que influyen en la captación solar, sombras y consecuentemente en el comportamiento térmico del edificio modelo en las simulaciones con la herramienta computacional.
En rojo está la localización del edificio modelo, en amarillo las edificaciones que le proyectan sombras considerables por ser altas, en naranja los que son altos más que
59
por estar más alejados no influyen tanto y en azul los edificios bien más bajos que el analizado.
Fig. 14. Localización considerada para el entorno del edificio modelo.
(Imagen de Google Erth con elaboración de la autora)
Los edificios en amarillo tienen aproximadamente la altura del edificio de análisis, o sea, alrededor de 25 pavimentos y están distanciados entre 16 y 20 metros de este.
Este entorno teórico será considerado en algunas simulaciones para que se pueda establecer comparaciones entre el comportamiento térmico del edificio considerando el entorno y sin considerarlo. De esta forma será posible saber cuánto cambia el comportamiento del edificio conforme el entorno del mismo.
5.2 El edificio modelo
A partir del análisis de los edificios de la ciudad de São Paulo, bien como sus características más importantes y predominantes, en este capítulo se propone un modelo base con el cual se harán los cálculos y simulaciones del comportamiento térmico. El modelo contiene elementos y características fijas y luego será estudiado con composiciones distintas de materiales para las fachadas.
60
Fig. 15. Planta del modelo de edificio para simulaciones. (Elaboración de la autora)
Fig. 16. Sección del modelo de edificio para simulaciones. (Elaboración de la autora)
Composición de la fachada (elemento cambiante).
Plantas Tipo
Planta Terreo
61
Abajo sigue una tabla con el resumen de las características principales fijas del modelo de estudio:
Características Principales
Longitud Total 40 m
Ancho Total 40 m
Área Total por planta 1600 m²
Área Núcleo Servicios 225 m²
Área Oficinas 1375 m²
Altura Libre 2,5 m²
Numero Plantas 23 Tabla 12. Características principales del modelo (Elaboración de la autora).
Los pavimentos más cercanos a la cubierta, reciben gran influencia de la radiación que ahí llega durante todo el día. De la misma forma, estos andares pierden mucha energía por la noche por conducción, ya que poseen envolventes más expuestas a la intemperie. Ya los pavimentos más bajos, tienen mucha influencia del adosamiento al suelo y reciben menos radiación directa, ya que el proprio edificio les hace sombra.
Los andares intermedios son los que justo por estar localizados en medio del edificio, posen las características promedias: no reciben tanta radiación como el ultimo andar, pero no tan poco como los más bajos, lo mismo pasa con la ventilación y perdidas energéticas al exterior.
5.2.1 Características fijas del modelo: actividad, construcción, aberturas, iluminación, calefacción, refrigeración y ventilación natural.
Para evaluar el comportamiento térmico de las composiciones de las fachadas, es necesario considerar los otros elementos fijos en las simulaciones y cálculos. Para eso fueron seleccionadas características que no cambian de una simulación a otra.
La herramienta computacional utilizada en las simulaciones, separa los tópicos del edificio que son utilizados para los cálculos de evaluación térmica, donde son definidas las características del modelo a ser simulado. Son los siguientes tópicos: actividad, construcción, aberturas, iluminación y energía auxiliar (calefacción, refrigeración y ventilación natural).
A – Actividad
La actividad del edificio, o sea, sus horas de funcionamiento, usuarios y aportes internos son muy importante para las simulaciones de comportamiento térmico del edificio, como explicado en el capítulo 3.1.
En esta investigación fue determinado fijos, para todas las simulaciones, los siguientes parámetros de actividad y ocupación del edificio modelo:
62
Características de Actividad y Ocupación
Densidad (personas/m2) 0,15
Metabolismo (intensidad) bajo
Horas de ocupación (hs) 08 - 19
Días de ocupación (n días) 5 (lunes a viernes)
Ordenadores (W/m2) 10 Tabla 13. Características de actividades y ocupación (Elaboración de la autora).
También para el metabolismo es considerado el tipo de actividad realizada, además de la intensidad. En este análisis fue considerado: trabajo de oficina con periodos intercalados de personas sentadas, de pie y caminando con baja intensidad.
B - Construcción
Las composiciones materiales y sus características constructivas consideradas fijas en todas las simulaciones fueron las siguientes:
Muros
Composición
λ (W/mK)
ρ (kg/m³)
Cp (J/kgK)
RT (m²K/W)
Em Abs. Solar
U (W/m²K)
1. Muros interiores
Hormigón lanzado aparente
(22 cm)
1,5
2000
890
0,32
0,9
0,6
3,16
2.Cubierta Plana
Hormigón lanzado medio denso + capa
asfáltica (20 cm)
0,8
1300
840
0,39
0,9
0,6
2,54
3.Revest. de pisos
Interiores
Madera blanda (10 cm)
0,12
510
1380
0,35
0,9
0,6
2,83
4. Falso Techo
Fibra mineral + yeso (2 cm)
0,043
96
840
0,73
0,9
0,6
1,36
5. Losas Hormigón lanzado denso
(20 cm)
1,40
2100
840
0,41
0,9
0,6
2,42
6. Puertas exteriores
Opaca metálica (10 cm)
45
500
7824
0,26
0,9
0,6
3,84
7. Puertas internas
Madera densa (42 cm)
0,19
700
2390
0,48
0,9
0,5
2,08
Tabla 14. Composiciones materiales fijas del modelo (Elaboración de la autora).
También se puede establecer la infiltración de aire por cavidades de la construcción del edificio, que en esta investigación se determina un valor promedio de 0,5 renovaciones/ hora.
C - Aberturas
Las ventanas son consideradas solamente en dos edificios: el de composición de fachadas de hormigón y el de aluminio. Las ventanas determinan en el programa de simulaciones, por donde el edificio capta la radiación solar directa y por este motivo en
63
los demás edificios, con pieles de vidrio, es necesario considerar 100% ventanas acristaladas.
Lo que es considerado fijo para todos los edificios y todas las simulaciones es la renovación de aire. Son considerados 6 renovaciones horarias constantes en todas las simulaciones térmicas.
Para los dos edificios con cerramientos opacos, fueron determinadas ventanas con forma horizontal continua y con las siguientes características:
Características Fachadas (Hormigón y Aluminio)
Altura de una planta 3,80 m²
Área de una fachada por planta 152 m²
Porcentaje vertical de las ventanas por planta 30 %
Porcentaje horizontal de las ventanas por planta 90 %
Altura del parapeto 1,20 m Tabla 15. Características fijas de las fachadas del modelo (Elaboración de la autora).
Los tipos de ventanas, su composición material y abertura para la renovación de aire también son características fijas del modelo:
- Marcos de aluminio - Porcentaje de abertura de los cristales: 50% - Las ventanas se abren y funciona la ventilación cuando la temperatura
interior supera los 22ºC. Cuando la temperatura interior llega a esta temperatura o más, funciona la ventilación natural.
- Características de los cristales siguen en la tabla abajo.
Ventanas
Composición
λ (W/mK)
Transmisión energética
(%)
Reflexión Energética
Interna (%)
Reflexión Energética
Externa (%)
FS (%)
U (W/m²K)
Vidrio Simple
Vidrio simple plano
incolora float (6 mm)
0,9
60
5
5
83
5,78
Tabla 16. Características de los cristales de las ventanas consideradas en las simulaciones del edificio modelo. (Elaboración de la autora).
Para los edificios de composiciones de fachadas de vidrio simple, reflexivo, protección solar y doble bajo emisivo, son consideradas 100% de ventanas acristaladas y cada cristal contiene sus características particulares que influyen en los cálculos térmicos del edificio.
D – Iluminación Artificial
El sistema de iluminación considerado fue de lámparas fluorescentes compactas, con gasto energético general de 5 W/m2. El sistema se considera encendido 50% todo
64
el período, o sea, de 8 a 19 horas en los 5 días de la semana y desconectado en los fines de semana.
Los aportes internos de las oficinas de São Paulo son mencionadas en la tesis “Análisis of variables that influence electric energy consumption in commercial buildings in Brazil” (M.M.Q. Carvalho, E.L. La Rovere, A.C.M. Gonçalves, 2010). En este análisis, se considera un aporte lumínico constante de mitad encendida todo el periodo de trabajo y en todo el año. Esto se basa en una media entre verano y invierno, donde en un periodo se utiliza menos iluminación y otro un poco más, llegando a una media constante por todo el año.
En esta tesis también están mencionados los aportes por ordenadores y personas, que son considerados para esta investigación. Las oficinas en São Paulo posen aportes interiores bastante elevados, debido a gran cantidad de personas que trabajan y los ordenadores, principalmente. Además de esto se considera un porcentaje del área de cada planta para circulación y áreas con espacios más amplios, debido a cargos de jefes y gerentes. Así, la tesis considerada considera una media del área total de las plantas donde está ocupada por personas y ordenadores, además de un espacio mínimo ocupado por cada persona.
E - Energía auxiliar (calefacción, refrigeración y ventilación natural)
Primeramente no se consideran encendidas la calefacción y refrigeración artificial, solamente es considerado la ventilación natural como energía auxiliar. Sin considerar esos dos factores, es posible verificar las horas de confort y temperaturas interiores por hora con un sistema energético pasivo.
Para verificar cuanto serían los gastos energéticos con acondicionamiento térmico artificial en las horas en que las temperaturas son consideradas fuera de la zona de confort, es necesario considerar además de la ventilación, la calefacción y refrigeración. De esta manera, son necesarias simulaciones aparte de las primeras, donde ya no son consideradas solo el sistema energético pasivo.
5.3 La envolvente – Características cambiantes del modelo
Por ser el obyecto de estudio de esta investigación, la envolvente del edificio es el factor cambiante en cada simulación, con las cuales se tiene el intuito de establecer comparaciones entre los resultados.
Establecidos los parámetros constructivos que son fijos en todas las simulaciones, como el techo, pisos y forjados, en este capítulo solamente se consideran las fachadas.
De esta forma, en la herramienta computacional de simulaciones, solo se cambian, de un edificio a otro, las características constructivas de la composición
65
material de las fachadas. Cada una de las composiciones seleccionadas para la investigación, bien como sus propiedades, son detalladas en los próximos tópicos.
5.3.1 - Elección de las composiciones materiales de las fachadas para esta investigación
A partir del estudio de los edificios de oficinas en São Paulo y las composiciones materiales más utilizadas en las fachadas, fueron elegidos algunas para un análisis del comportamiento térmico.
Hoy existen inúmeros tipos de vidrios que se adaptaron para fornecer mejores resultados lumínicos y térmicos. En esta investigación serán analizados algunos tipos de vidrios en la composición de las fachadas del edificio y su comportamiento térmico.
La imagen abajo contiene el diseño de los materiales considerados para la composición de cada fachada simulada y la tabla explica la composición de cada material.
1. Hormigón 2. Placas de 3.Vidrio 4.Vidrio 5.Vidrio con 6. Vidrio Doble Aluminio Simple Reflexivo Protección Solar Bajo Emisivo
Fig. 17. Composiciones materiales seleccionadas para el análisis. (Elaboración de la autora).
Fachada
Composición
1. Hormigón Revoco (3cm)+ bloco de hormigón macizo (20cm) + revoco (3cm)
2. Placas Aluminio
2 Placas de aluminio compuesto ACM (4 mm)
3. Vidrio Simple
Vidrio simple plano incolora float (6mm)
4. Vidrio Reflexivo
Vidrio Reflexivo incolora (6mm) Reflecta Float Fornecedor: Cebrace
5. Vidrio Prot. Solar
Vidrio laminado de protección solar verde (6mm)
Cool Lite - Fornecedor: Cebrace
6. Vidrio Doble Bajo Emisivo
Vidrio bajo emisivo incolora – sistema doble: vidrio bajo emisivo (6mm)+ cámara de aire de 12mm + float incolora
(4mm)
66
Tabla. 17. Descripción de las composiciones materiales seleccionadas para el análisis.
5.3.2 - Análisis de características y propiedades térmicas de las composiciones materiales de la investigación.
A partir de la selección de las composiciones materiales de las fachadas se ha hecho un análisis de sus características y propiedades térmicas, que serán los datos necesarios para las simulaciones y cálculos del comportamiento térmico del edificio. Estos valores son los insertados en la herramienta computacional de simulación.
A seguir, siguen tablas con el resumen de las propiedades de las composiciones materiales consideradas para las fachadas. Fue necesario separar las características de los materiales opacos y los vidrios, ya que para las simulaciones de evaluación térmica las propiedades consideradas son distintas.
La primera tabla contiene características y propiedades de los materiales opacos considerados en las simulaciones:
- Conductividad térmica – (λ) – Unidad: W/mK - Calor especifico – (Cp) – J/kgK - Densidad - (ρ) – kg/m³ - RT (m²K/W) – Resistencia térmica - Em – Emesividad - Abs. Solar – Absortancia solar térmica (infra rojo).
Fachada
Composición
λ (W/mK)
ρ (kg/m³)
Cp (J/kgK)
RT (m²K/W)
Em Abs. Solar
1.Hormigón Hormigón lanzado aparente (25 mm)
1,3
2000
890
0,32
0,6
0,3
2.Placas Aluminio
2 Placas de aluminio compuesto ACM
(3 mm)
300
2800
896
0,1869
0,8
0,5
Tabla 18. Principales propiedades térmicas de los materiales considerados. (Elaboración de la autora a partir de datos de Precon: (http://websales.precon.com.br ); Calculo de propiedades de bloques de
hormigón: (http://www.fec.unicamp.br/~damore/conforto27.swf); Capacidad térmica aluminio y vidrio: (http://www.escolavirtual.pt/assets/conteudos); ACM Alcopla: (http://www.alcopla.com.br).
Abajo sigue una tabla con las características y propiedades de los vidrios considerados en las simulaciones. Son propiedades consideradas solamente en los materiales transparentes y translucidos. Los valores están en porcentaje, pero muchas veces aparecen en decimales.
Tipo de vidrio
Composición
Espesor Total (mm)
Transmisión energética
(%)
Reflexión Energética
Interna (%)
Reflexión Energética
Externa (%)
FS (%)
Vidrio simple plano incolora float (6mm)
Vidrio Reflexivo incolora (6mm)Reflecta Float
Fornecedor: Cebrace
Vidrio laminado de protección solar verde
(6mm) Cool Lite
Fornecedor: Cebrace
Vidrio bajo emisivo incolora sistema
doble: vidrio bajo emisivo (6mm)+ cámara de aire de
13mm + float incolora(3mm)
Tabla 19. Características de los vidrios de la investigación datos de Cebrace: http://www.cebrace.com.br/v2/produtos
A partir de las propiedades arriba, la herramienta computacional de simulación calcula la transmitancia térmica, la U, de cada composición material considerada.
Tabla 20. Características de los vidrios de la investigación datos de Cebrace: http://www.cebrace.com.br/v2/produtos
Establecidas las características y propiedades de las composicioparte a seguir está compuesta de un análisis comparativo entre estos datos. Se trata de una evaluación previa, que será comprobada con las simulaciones.
Vidrio simple plano float (6mm)
6
60
5
idrio Reflexivo (6mm)
Reflecta Float Fornecedor: Cebrace
6
46
33
Vidrio laminado de protección solar verde
Fornecedor: Cebrace
6
28
20
Vidrio bajo emisivo sistema
doble: vidrio bajo vo (6mm)+
cámara de aire de incolora
22
52
18
Características de los vidrios de la investigación – Tabla 2 (Elaboración de la autora a partir de http://www.cebrace.com.br/v2/produtos-aplicacoes/produtos
A partir de las propiedades arriba, la herramienta computacional de simulación calcula la transmitancia térmica, la U, de cada composición material considerada.
Fachada
U (W/m²K)
1. Hormigón
3,16
2. Placas Aluminio
5,88
3. Vidrio Simple
5,78
4. Vidrio Reflexivo
5,36
5. Vidrio Prot. Solar
3,49
6. Vidrio Doble
Bajo Emisivo
1,77
Características de los vidrios de la investigación – Tabla 1 (Elaboración de la autora a partir de http://www.cebrace.com.br/v2/produtos-aplicacoes/produtos
Establecidas las características y propiedades de las composiciones materiales, la parte a seguir está compuesta de un análisis comparativo entre estos datos. Se trata de una evaluación previa, que será comprobada con las simulaciones.
67
5
83
39
51
19
60
20
58
Tabla 2 (Elaboración de la autora a partir de aplicacoes/produtos).
A partir de las propiedades arriba, la herramienta computacional de simulación calcula la transmitancia térmica, la U, de cada composición material considerada.
1 (Elaboración de la autora a partir de aplicacoes/produtos).
nes materiales, la parte a seguir está compuesta de un análisis comparativo entre estos datos. Se trata de
68
Grafica 14. Transmitancia térmica (U en W/m²K) de los materiales. (Elaboración de la autora).
En esta primera grafica es posible observar que el vidrio bajo emisivo es el que presenta menor transferencia de energía térmica entre el interior y el exterior, seguido por el hormigón. Los que tienen más intercambio térmico es la composición de placas de aluminio y el vidrio simple. Por lo tanto, en una situación de grandes variaciones de temperaturas exteriores o de temperaturas extremas, serán estos los que presentaran probablemente peor comportamiento, al considerar la estabilidad térmica del ambiente interno. Pero, es importante fijar que los materiales 2, 3, 4 y 5 presentan valores de transmitancia térmica muy parecidos entre ellos.
Como ya mencionado anteriormente, los vidrios fueron analizados separadamente en relación a algunas características que tienen gran importancia para el comportamiento térmico del edificio y que no son presentes en las composiciones de fachadas opacas, o sea, en las fachadas de hormigón y placas de aluminio.
En Brasil existen algunos grandes fabricantes y distribuidores de vidrios para la construcción. Para esta investigación, fueron consideradas características de los vidrios del fabricante “Cebrace”, que es muy utilizado en diversos edificios en el país.
Aquí son analizadas algunas características de los vidrios que también son utilizados por la “Cebrace” como forma de clasificar y comparar los vidrios comercializados por ellos. Son clasificados cuanto a la protección solar, cuanto al porcentaje de transmisión energética, Factor Solar (FS), Reflexión solar exterior y interior. También para evaluar las mejores selecciones de materiales para una construcción, es muy importante considerar la porción de luz que cada uno de los vidrios aquí analizados. Para eso se considera además de los factores arriba, la transmitancia visible.
0
1
2
3
4
5
6
7
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo emisivo
Transmitancia
U (W/m²K)
69
El factor solar expresa lo cuanto el vidrio deja pasar de la energía de radiación solar que incide y es la energía total sumatoria de la energía solar que entra por transmisión directa y la energía que el vidrio pasa al ambiente interior debido a su calentamiento por absorción.
Este factor se muestra mayor en el vidrio simple y menor para el reflexivo, como vemos en la tabla abajo.
Así, si la fachada está girada a una dirección con mucha captación solar, el vidrio simple presentará ganancias altas de temperatura para el interior del edificio y el reflexivo protegerá más.
Grafica 15. Factor Solar de los vidrios. (Elaboración de la autora).
La transmisión energética es una característica comparable a la transmitancia térmica (U) de los materiales, ya que clasifica los vidrios por la relación del flujo energético transmitido por el flujo incidente. Incluye la energía térmica y visible que el vidrio transmite al interior.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo 5. Vidrio prot. solar 6. Vidrio bajo emisivo
FS (%)
70
Grafica 16. Transmición energética de los vidrios. (Elaboración de la autora).
El vidrio verde de protección solar es el que menos deja pasar la energía total incidente en la capa exterior al interior. De forma curiosa el vidrio bajo emisivo deja pasar mucha más energía que el de protección solar. Eso puede ser explicado por el facto del bajo emisivo dejar pasar una gran fracción de energía visible. También, en esta tabla se considera el material puro y solo, sin su composición total. En el caso del vidrio bajo emisivo, la transmisión energética baja considerablemente al considerar su composición total utilizada para las fachadas, ya que es el único entre los vidrios que contiene una doble capa, formada por el vidrio bajo emisivo, más una capa de 12 mm de aire y más un vidrio simple de 6 mm.
Así, es importante fijar que entre los vidrios utilizados sin ninguna capa adicional, el de protección solar es el que probablemente correspondería mejor si el edificio necesita las más bajas transmisiones energéticas y mejor control de las temperaturas interiores. También es importante observar que también es un vidrio con baja transmisión luminosa y por lo tanto, dependiendo del requerimiento luminoso y visando bajar gastos con iluminación artificial, esta puede no ser la mejor solución.
La grafica abajo muestra la reflexión interna y externa de los vidrios y son factores que siguen el mismo concepto de la transmisión energética, o sea, es la relación del flujo energético reflejado por la superficie interna y la externa en relación al flujo incidente.
En este caso, valores más bajos significan que poco de la energía incidente se refleja, la cual será absorbida por el vidrio y más probabilidad de ser transmitida al interior.
0
10
20
30
40
50
60
70
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo 5. Vidrio prot. solar 6. Vidrio bajo emisivo
Transmisión Energética (%)
Grafica 17. Reflexión Energética Interna y Externa energética de los vidrios. (Elaboración de la autora).
La última grafica trata de la transmitancia visible, o la relación entre la fracción de energía visible que es transmitido por el vidrio la energía visible que incide. Estos valores no intervienen en la evaluación térmica de los edificios, pero es importante considerarlos en la tomada de decisiones. Un vidrio que aporta poca energía térmica, pero también poca energía visible, puede no ser la mejor opción dependiendo del caso.
Grafica 18. Transmitancia visible de los vidrios. (Elaboración de la autora).
Desde estas características es posible concluir que el vidrio simple presenta situaciones extremas de transferencia térmica, o sea, en días de mucho calor presentará
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
3. Vidrio simple
Reflexión Energética Interna (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
3. Vidrio simple
Reflexión Energética Interna y Externa energética de los vidrios. (Elaboración de la autora).
ltima grafica trata de la transmitancia visible, o la relación entre la fracción de energía visible que es transmitido por el vidrio la energía visible que incide. Estos valores no intervienen en la evaluación térmica de los edificios, pero es importante considerarlos en la tomada de decisiones. Un vidrio que aporta poca energía térmica, pero también poca energía visible, puede no ser la mejor opción dependiendo del caso.
Transmitancia visible de los vidrios. (Elaboración de la autora).
sde estas características es posible concluir que el vidrio simple presenta situaciones extremas de transferencia térmica, o sea, en días de mucho calor presentará
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio bajo emisivo
Reflexión Energética Interna (%) Reflexión EnergéticaExterna (%)
4. Vidrio Reflexivo 5. Vidrio prot. solar 6. Vidrio bajo emisivo
Transmitancia Visible (%)
71
Reflexión Energética Interna y Externa energética de los vidrios. (Elaboración de la autora).
ltima grafica trata de la transmitancia visible, o la relación entre la fracción de energía visible que es transmitido por el vidrio la energía visible que incide. Estos valores no intervienen en la evaluación térmica de los edificios, pero es importante considerarlos en la tomada de decisiones. Un vidrio que aporta poca energía térmica, pero también poca energía visible, puede no ser la mejor opción dependiendo del caso.
Transmitancia visible de los vidrios. (Elaboración de la autora).
sde estas características es posible concluir que el vidrio simple presenta situaciones extremas de transferencia térmica, o sea, en días de mucho calor presentará
6. Vidrio bajo
Reflexión EnergéticaExterna (%)
6. Vidrio bajo emisivo
72
ganancias muy altas y en días de frío irá perder mucha energía del edificio para el ambiente externo.
Es interesante observar que para un clima cálido húmedo, el vidrio reflexivo presenta buena solución cuanto a la reflexión energética, pero de la energía que le incide y no es reflejada, será transmitida más al interior que el de protección solar. Así, dependerá mucho de la energía que incide en las fachadas, si es directa, probablemente el vidrio reflexivo presentará mejor solución.
En el capítulo seis se explican los análisis de las simulaciones térmicas dinámicas, que componen la evaluación de los datos característicos de cada material comentado en este ítem.
5.3.2 Composiciones de las fachadas del edificio modelo
Además de las composiciones materiales posibles en las fachadas, fue necesario decidir las composiciones de estas fachadas en el edificio, o sea la composición del edificio mismo.
Muchos edificios de la ciudad de Sao Paulo poseen composiciones complejas, intercambiando distintas composiciones materiales en la superficie de cada fachada. Eso pasa principalmente en los edificios de fachadas de materiales opacos, como el hormigón o el ladrillo y ocurre menos en los edificios de fachadas acristaladas, que generalmente son enteras de un solo tipo de composición alrededor de todo el edificio.
Para este análisis se consideraron composiciones teóricas, con el intuito de evaluar los materiales, más bien que composiciones muy complejas. Fueron estudiadas las siguientes composiciones del edificio:
1 – Con todas las fachadas de vidrio simple + rh1*
2 – Todas las fachadas en hormigón + ventanas de vidrio simple de con rh1.
3 – Todas las fachadas con placas de aluminio (ACM) + ventanas de vidrio simple con rh1.
4 – Todas las fachadas en vidrio reflexivo + ventanas de vidrio simple con rh1.
5 – Todas las fachadas en vidrio de protección solar + ventanas de vidrio simple con rh1.
6 - Todas las fachadas en vidrio doble bajo emisivo + ventanas de vidrio simple con rh1.
* rh 1 = Renovaciones horarias de aire. Fue establecido un valor fijo de rh para todos los cálculos y simulaciones: 6 renovaciones horarias.
73
Todas las simulaciones arriba descritas son hechas, primeramente, con el edificio girado a 0º en relación al norte y tendrá, por lo tanto, las fachadas direccionadas a: norte, sur, este y oeste. Luego son hechas las mismas simulaciones, pero con el edificio girado a 30º en relación al norte y después a 45º.
El intuito de esta parte de las simulaciones es verificar el comportamiento de las composiciones de los materiales cuanto a la capitación solar por las fachadas del edificio, como explicado en esta investigación en los primeros capítulos.
74
6. Simulaciones del comportamiento térmico del edificio modelo.
75
6.1 - Herramienta computacional para la evaluación térmica de las composiciones de fachadas
6.1.1 - Consideraciones de la herramienta computacional
Para las simulaciones propuestas del modelo, comentadas en el capitulo anterior, se utiliza la interface del Programa Design Builder más el software Energy Plus. El primero sirve de base para desenvolver el diseño arquitectónico y los cerramientos y el segundo trabaja como un plug in conectado directamente al edificio diseñado y determina sus cálculos energéticos.
El Energy Plus es una herramienta de modelaje energética para la evaluación del desempeño del edificio, desenvuelto por el Departamento de Energía de Estados Unidos y que hace un análisis energético y térmico basado en las descripciones inseridas por el usuario y las características físicas del edificio. También calcula la carga de calefacción y refrigeración necesaria para el confort térmico y cuantificar el consumo de energía que puede generar el edificio.
Antes del cálculo de las simulaciones, el Design Builder contiene bancos de dados de materiales, construcciones, marcos y persianas, hechos a partir del Energy Plus permitiendo la inserción de la mayor parte de los recursos de la envolvente.
Las variables consideradas en las simulaciones y que determinaran el nivel de eficiencia de la envolvente son:
- Clima - Habitabilidad y actividades realizadas en el edificio - Forma - Orientación solar - Características de los Cerramientos: cubierta, pisos, estructuras y fachadas. - Características de la composición de las fachadas como:
o Porcentual de abertura de las fachadas o Propiedades que definen la conductibilidad térmica de los
cerramientos: a) Resistencia térmica b) Transmitancia térmica c) Capacidad térmica d) Factor solar.
Las informaciones criadas en el Design Builder son compiladas en ficheros “idf” (imput data file) reconocidos por Energy Plus y también genera archivos en Excel de los resultados de simulaciones.
A partir de esta herramienta, serán hechas simulaciones dinámicas del modelo cambiando los tipos de composiciones de fachadas y llegando al objetivo de poder
76
comparar el comportamiento térmico de las soluciones de fachadas analizadas y la influencia en el consumo energético del edificio.
Al definir los materiales del edificio y sus características, es posible seleccionar los existentes en la biblioteca del proprio software o editarlos considerando las características y composiciones que el usuario desea. Al editar los materiales se puede editar los siguientes valores a los materiales:
- Cantidad de capas que componen el material - Espesor de cada capa - Categoría del material (pared, cubierta, piso, ventana, puerta, etc.) - Tipo de los materiales de las capas (cemento, metal, ladrillo, madera, vidrio) - Valores fijos de coeficiente de transmitancia convectiva (se puede optar en
poner un valor previo o no). - Si el material es puente térmico o no.
Para cada material de las capas se puede establecer las propiedades térmicas a partir de dos opciones:
1 - Conductividad térmica (W/mK) + Calor especifico (J/kgK) + densidad
2 – Resistencia térmica (m²K/W).
Además de estos valores, también se puede cambiar valores de las propiedades superficiales de los materiales:
- Absortancia térmica (emisividad), absortancia solar
- Absortancia Solar
- Absortancia Visible
- Color, textura y nivel de rugosidad del material.
A partir de estos valores, el software calcula la U y otras propiedades que definen el comportamiento térmico del material en la situación del diseño y lugar.
Las simulaciones fueran hechas a partir del diseño en tres dimensiones del edificio modelo explicado anteriormente en el capítulo 5. Todos los factores, características y propiedades considerados en cada simulación están detallados también en el capítulo 5.
77
Fig. 18. Interface 3D del Design Builder versión 3.2 y el edificio modelo de simulaciones
(Elaboración de la autora).
6.1.2 – Visualización de los resultados
En el Design Builder es posible visualizar los resultados por zona del edificio total, por planta o por un ambiente seleccionado. Para esta investigación se considera la visualización de los resultados de la zona del edificio total.
Los ficheros de resultados considerados para los análisis de comportamiento térmico de esta investigación son:
- Horas de disconfort - Temperatura operativa en ºC (media del aire interior y de la temperatura
radiante). - Ganancias internas por radiación solar, por ventanas (kW/m2) - Flujo de calor por las fachadas (kW/m2) - Gastos energéticos para posible climatización artificial (Wh/m2).
Primeramente son programadas simulaciones pasivas, para un día tipo de verano y un día tipo de invierno. El objetivo es simular de forma dinámica el comportamiento térmico del edificio teórico de oficinas considerando el diseño arquitectónico pasivo y comparar los distintos tipos de composiciones de fachadas elegidas.
78
Luego son hechas simulaciones considerando climatización artificial para el mismo día tipo de verano y de invierno.
Con las simulaciones de un único día es posible analizar cómo funciona cada edificio durante las horas de los dos días tipos de las épocas críticas del año.
Después son programadas simulaciones pasivas anuales, para verificar las horas totales de disconfort en cada caso y simulaciones de la climatización artificial, para que se pueda comparar los edificios cuanto a los gastos energéticos.
A seguir siguen algunas imágenes de las graficas fornecidas por la herramienta computacional Design Builder de los resultados de cálculos energéticos como ejemplo.
En todas las simulaciones fue considerado las mismas características del clima, o sea, las mismas temperaturas medias, radiación solar media mensural, consideraciones cuanto a la ventilación y radiación indirecta.
Abajo sigue la figura 19, ejemplo que aparece para todas las simulaciones con las características generales del lugar. En la parte de la radiación solar se ve que la radiación difusa tiene un papel muy importante en los meses de verano y en invierno habría que aprovechar al máximo la radiación directa.
Fig. 19. Visualización de los resultados de las características del clima del lugar anual en el Design Builder versión 3.2 (Elaboración de la autora).
79
Las próximas graficas consideran las características de todo el edificio, como los materiales utilizados, actividad, ocupación y sistemas de ventilación natural, para calcular los datos requeridos. Se consideran, primeramente, simulaciones pasivas, sin climatización artificial, para saber el total de horas de disconfort y las temperaturas operativas interiores. Después, fueron hechas simulaciones considerando posible calefacción y refrigeración artificial para tener una idea de cuánto de climatización, sería necesaria para fornecer confort térmico al espacio.
Fig. 20. Visualización de los resultados de temperaturas interiores y horas de disconfort, por hora durante un día tipo de verano en el Design Builder versión 3.2 (Elaboración de la autora).
80
Fig. 21. Visualización de los resultados de ganancias interiores, durante un día tipo de verano en el Design Builder versión 3.2 (Elaboración de la autora).
Fig. 22. Visualización de los resultados de ventilación y perdidas energéticas por los cerramientos, durante un día tipo de verano en el Design Builder versión 3.2 (Elaboración de la autora).
81
Fig. 23. Visualización de los resultados de gastos con refrigeración, iluminación y electricidad, total de un día tipo de verano en el Design Builder versión 3.2 (Elaboración de la autora).
6.2 – Análisis de los resultados de las simulaciones
A partir de los datos y características fijas y cambiantes para cada caso de estudio, fueron hechas diversas simulaciones del edificio modelo. Este apartado contiene los análisis y detalles de las simulaciones, bien como comparaciones entre ellas.
Con el intuito de analizar simplemente el comportamiento de cada composición material en las fachadas, primeramente fueron hechas simulaciones con el edificio modelo solo, o sea, sin considerar el entorno y con el modelo girado a 0º en relación al norte. En esta primera parte, lo que se cambia de una simulación a otra es la composición material de las cuatro fachadas del edificio.
Después son testadas simulaciones con giros y con el entorno, con la finalidad de analizar lo cuanto influyen estas variables en el comportamiento térmico del edificio.
De las varias simulaciones realizadas, los resultados son resumidos en tablas Excel e ilustradas en esta investigación por gráficas que son explicadas a seguir.
A – Edificios sin entorno y giro a 0º:
Los dos primeros tópicos analizados son las temperaturas máximas de un día tipo de verano y mínimas del día tipo de invierno. Las dos graficas abajo resumen los resultados encontrados.
82
Grafica 19. Resultados de las Temperaturas Operativas Máximas de un día tipo de verano, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
La línea roja presenta la temperatura máxima dentro de la zona de confort.
La temperatura máxima exterior es de 28ºC en el día tipo de verano. Considerando que hay grandes aportes internos y aportes por radiación solar, las temperaturas más elevadas de cada edificio simulado son todas más altas que la exterior. Como esperado, el edificio que presenta la temperatura máxima más alta de todos y que pasa bastante la zona de confort es el de fachadas de vidrio simple. El edificio de hormigón presenta la temperatura máxima más baja, seguido por los edificios de vidrio reflexivo y doble bajo emisivo, los dos últimos con las mismas temperaturas máximas.
Los edificios con fachadas compuestas por vidrios con alguno tipo de tratamiento o protección, presentan grandes mejoras si comparados al de vidrio simple y responden de manera muy parecida entre ellos mismos. Eso puede ser explicado por el facto de que cada uno protege el interior de las ganancias solares de forma distinta. Mientras uno refleja más la radiación directa, el mismo no responde tan bien a la transmitancia térmica de la radiación que no ha sido reflejada. Ya otro tipo de vidrio no refleja tanto la radiación incidente, pero presenta mayor bloqueo a la transmitáncia del calor al espacio interior. Al final, todos responden mejor que el vidrio simple, pero con diferencias muy sutiles. Lo que determinaría por lo tanto la elección de uno que no otro, serían cuestiones financieras o dependiendo del entorno del local donde está instalado el edificio.
25
25,5
26
26,5
27
27,5
28
28,5
29
29,5
30
30,5
31
31,5
32
32,5
33
33,5
34
34,5
35
Temperaturas Operativas Máx./ Día Tipo Verano
Exterior 1. Hormigón 2. Placas Aluminio3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo 5. Vidrio prot. solar 6. Vidrio doble bajo emisivo
83
El vidrio doble, que como analizado anteriormente, presenta la U más baja, pero en las simulaciones podemos ver que no presenta grandes mejoras en comparación a los otros tipos de vidrios. Eso se debe al facto de que para el clima considerado, más importante que la U es la captación de radiación directa. A pesar de no presentar grandes transmisiones de calor desde el exterior para el interior y al contrario tampoco, capta la radiación directa que le incide en ondas cortas. Estas ondas al incidir las superficies y objetos del interior, son absorbidas y emitidas en forma de calor, en ondas largas y ya no pueden salir del ambiente por el vidrio, calentando el espacio. De esta forma, no importa que sea un edificio de fachadas de vidrio doble, captará la radiación directa igualmente a los otros edificios.
Cuanto a las temperaturas más altas de un día tipo de verano, el edificio de fachadas de hormigón presenta 1,3ºC a más que los 28ºC de la zona de confort, mientras que el edificio de vidrio simple presenta 6,7ºC más. De esta forma, las temperaturas más altas del edificio de vidrio simple pueden llegar a 5,4ºC a más que el de fachadas de hormigón.
Los edificios de fachadas de aluminio, vidrio reflexivo, protección solar y doble bajo emisivo presentan temperaturas más altas ultrapasando la zona de confort entre 3 y 3,5ºC. Así, estos edificios presentan, en estas condiciones, de 1,7 a 2,2ºC más que el de fachadas de hormigón.
Grafica 20. Resultados de las Temperaturas Operativas Mínimas de un día tipo de invierno, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
12,5
13
13,5
14
14,5
15
Temperaturas Operativas Mínimas / Día Tipo Inverno
Exterior 1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo 5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo emisivo
84
En el caso de las temperaturas mínimas del día tipo de invierno, las temperaturas mínimas interiores de todos los edificios también son más altas que la mínima exterior. Todas las mínimas temperaturas se encuentran debajo de la temperatura de la zona de confort mínima, de 18ºC.
Todos los edificios poseen temperaturas extremas mínimas semejantes y que distinguen máximo de 3 grados.
El edificio de placas de aluminio es el que pierde más energía térmica para el exterior y presenta por tanto, en este caso, menos confort que los otros edificios.
Los edificios de hormigón, vidrio simple, protección solar y el de vidrio doble bajo emisivo, contienen resultados semejantes para la temperatura extrema de frío. A pesar del edificio de hormigón captar menos la radiación solar, presenta menor U y por tanto menos perdida de temperatura del interior para el exterior más frío. Ya los edificios con fachadas acristaladas, presentan lo contrario; U más alta, pero altas ganancias por radiación directa.
El edificio que presenta temperaturas más altas y más cerca a la zona de confort es el que contiene la “U” más baja, doble bajo emisivo. A pesar de que la diferencia del vidrio simples y de protección solar es muy pequeña para un día tipo de invierno.
Cuanto a la proporción de mejora comparando un edificio con otro, la distinción observada es menor que la observada en las temperaturas máximas de verano. El edificio de fachadas de vidrio doble bajo emisivo, con las temperaturas más bajas más cercanas a la zona de confort, presenta 1,8ºC más que el de peor resultado, el edificio de vidrio reflexivo. Con esta gráfica es posible ver que las distintas fachadas influyen más en las temperaturas de verano o las más altas, que las temperaturas de invierno o más bajas.
La gráfica 21 presenta las ganancias solares por las ventanas de cada edificio analizado. En rojo están las ganancias solares de un día tipo de verano y en azul, del día tipo de invierno.
De manera bastante exagerada, el edificio de vidrio simple presenta ganancias por radiación solar mucho más altas que los demás edificios. Las fachadas de hormigón y aluminio doble bajo emisivo, garanten menores ganancias solares al edificio por tener menor área acristalada.
En un día tipo de verano, el edificio de fachadas de vidrio simple presenta en torno de 570 Wh/m2 más ganancias solares que los edificios de hormigón y aluminio.
En todos los casos, el porcentaje de ganancias solares de invierno comparado a las ganancias solares de verano es de un 76%. Eso significa que en el día tipo de invierno se reduce un 24% de las ganancias solares de verano.
Curiosamente, el edificio de vidrio reflexivo presenta más ganancias solares, pero menos horas de disconfort que los demás edificios de fachadas de otros tipos de vidrio con tratamientos. Eso puede ser por las perdidas energéticas por las fachadas y cristales.
85
Grafica 21. Resultados de las Ganancias Solares de un día tipo de verano y de invierno, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
Grafica 22. Resultados de las Ganancias Solares de un año, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
Como muestra la grafica 22, las ganancias solares por año de cada edificio sigue el mismo orden visto en el grafico de ganancias solares por día tipo de verano e invierno. El edificio de vidrio simple es el que presenta mayores ganancias solares, seguido del vidrio reflexivo y los que presentan menores ganancias son el de hormigón
050
100150200250300350400450500550600650700750800
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple
4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo emisivo
Ganancias Solares por Ventanas Exteriores/ día tipo verano e
invierno (Wh/m2)
Dia Verano Dia Invierno
60.450,70 60.450,70
235.190
109.380
77.457,7368.892,95
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo emisivo
Ganancias Solares por ventanas exteriores / año (Wh/m2)
86
y aluminio. El edificio de vidrio de protección solar ultrapasa poco las ganancias del de vidrio doble bajo emisivo.
Resumiendo esta gráfica a porcentajes y considerando el edificio de vidrio simple como la base de comparación, o sea, el 100% de ganancias solares, se observa que los demás edificios presentan las siguientes porcentajes de ganancias solares: hormigón = 25,7%; vidrio reflexivo = 46,5%; vidrio de protección solar = 32,9% y vidrio doble bajo emisivo = 29,3%.
Así, determinado el edificio base siendo el 100%, el edificio de fachadas de hormigón presenta un 74,3% menos ganancias solares que el edificio de vidrio simple.
La grafica 23 abajo relacionada, resume el equilibrio energético de los cerramientos exteriores de los edificios, o sea, el balance entre pérdidas y ganancias por transmisión energética del interior y exterior.
Como analizado en la grafica 22, de ganancias solares, el vidrio reflexivo presenta grandes ganancias por radiación solar, pero al mismo tiempo, pierde mucha energía al exterior, como muestra la grafica abajo. Así, en el balance, el edificio de fachada compuesta por vidrio reflexivo no presenta tantas horas fuera de la zona de confort. Este caso muestra la importancia de considerar todos los factores que influyen en las ganancias y pérdidas térmicas y energéticas de los edificios.
Por contener una doble capa, la composición de fachada que presenta menores perdidas es la de doble vidrio bajo emisivo, 21 % menos perdidas que el edificio de vidrio simple, que es el que pierde más energía por la envolvente.
El vidrio simple, por presentar grandes ganancias solares por ventanas, presentaría temperaturas todavía más elevadas de las que presenta en la grafica de temperatura operativa máxima, pero pierde mucha energía al exterior por las paredes y ventanas, como se puede ver abajo.
87
Grafica 23. Resultados de las Ganancias Solares de un día tipo de verano y de invierno, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
La siguiente grafica 24, contiene las horas de disconfort durante un día tipo de las estaciones extremas, o sea, de verano y de invierno. Es importante observar que no son consideradas todas las horas del día tipo, pero solamente las horas de la jornada de trabajo de las oficinas, o sea, de 8 hasta las 19 horas. La suma de horas de disconfort está solamente dentro de este rango.
Las horas de disconfort por calor, de cada edificio, es la suma de las horas que pasan 28 ºC en un día tipo de verano. Las horas de disconfort por el frío, es la suma de horas debajo de 18 ºC en el día tipo de invierno.
-200
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple 4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo emisivo
Equilibrio Energetico por paredes y ventanas exteriores /Día tipo de
verano y invierno (Wh/m2)
Total Día Verano Total Día Invierno
88
Grafica 24. Resultados de las Horas de Disconfort de un día tipo de verano y de invierno, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
De esta tabla se concluye que el edificio de fachadas de vidrio simple posee muchas horas de disconfort durante las horas de la jornada de trabajo en verano, donde los usuarios están casi todo el tiempo en disconfort o utilizando sistemas artificiales de climatización. En invierno, por ser el edificio que más capta radiación, contiene menos horas de disconfort.
El de fachadas de hormigón presenta más horas de disconfort por el frío y menos horas de disconfort por calor. Entre los edificios de fachadas acristaladas, el que responde mejor es el de vidrio reflexivo, pues presenta menos horas de disconfort por calor.
Si consideramos las horas de ocupación de los edificios, o sea 11 horas, como base para determinar el porcentaje de disconfort por calor y por frío en cada edificio analizado, se obtiene los siguientes resultados comparativos:
Edificio con fachada de: Disconfort por calor (%) Disconfort por frio (%) Hormigón 36,4 54,5 Aluminio 45,4 45,4
Vidrio Simple 90,9 18,2 Vidrio Reflexivo 54,5 36,4
Vidrio Protección Solar 72,7 36,4 Vidrio Doble Bajo Emisivo 63,6 27,3
Tabla 21. Porcentaje de horas de disconfort por calor y frío de los edificios analizados. (Elaboración de la autora).
Siguiendo el análisis de horas de disconfort, la gráfica 25 presenta las horas totales de disconfort por calor y frío de un año completo. Este período sigue el orden que aparece en el análisis de los días tipos de verano e invierno.
0123456789
1011
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple
4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo
emisivo
Horas de Disconfort por calor x frío (día verano x día invierno)
Temp. arriba de 28ºC Temp. abajo de 18ºC
Es importante acordar que las horas de disconfort son referentes a las horas ocupadas de los edificios de oficinas, de por ejemplo, no son consideradas variaciones díaedificio de vidrio doble bajo emisivo no presenta las menores horas de disconfort por frío, pues no está considerada parapérdidas energéticas, que es por la noche.
Grafica 25. Resultados de las Horas de Disconfort por calor y frío durante un año, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
La grafica 25 de horas de disconfort total de un año, muestra la suma de horas de disconfort tanto por frío cuanto por calor. Es posible ver el orden de los edificios con cada tipo de composición material de fachada que presenta de más a menos horas de disconfort durante el año. Claramente el de fachada de vidrio simple es el de peor resultado por presentar muchas horas de disconfort y el mejor es el de hormigón. En total, el edificio de fachadas de vidrio simple presenta 415 horas de disconfort a más que el de hormigón.
El segundo con menos horas de disconfort es el vidrio reflexivo, pero este se asemeja mucho al de vidrio doble bajo emisivo, que presenta pocas horas a más de disconfort. Presentan una diferencia de 24 horas solamente.
516
794,3
538
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
Temp.arriba de 28ºC
Es importante acordar que las horas de disconfort son referentes a las horas ocupadas de los edificios de oficinas, de 8 a 19 horas. Así, para el disconfort por frío, por ejemplo, no son consideradas variaciones día-noche. Probablemente por esa razón el edificio de vidrio doble bajo emisivo no presenta las menores horas de disconfort por frío, pues no está considerada para las horas de su mejor actuación de amortiguar las pérdidas energéticas, que es por la noche.
Resultados de las Horas de Disconfort por calor y frío durante un año, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
oras de disconfort total de un año, muestra la suma de horas de tanto por frío cuanto por calor. Es posible ver el orden de los edificios con
cada tipo de composición material de fachada que presenta de más a menos horas de año. Claramente el de fachada de vidrio simple es el de peor
resultado por presentar muchas horas de disconfort y el mejor es el de hormigón. En total, el edificio de fachadas de vidrio simple presenta 415 horas de disconfort a más
segundo con menos horas de disconfort es el vidrio reflexivo, pero este se asemeja mucho al de vidrio doble bajo emisivo, que presenta pocas horas a más de disconfort. Presentan una diferencia de 24 horas solamente.
794,3
1.262
780
1.021
413
207
375 365
2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple
4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
Temp.arriba de 28ºC Temp. abajo de 18ºC
89
Es importante acordar que las horas de disconfort son referentes a las horas 8 a 19 horas. Así, para el disconfort por frío,
Probablemente por esa razón el edificio de vidrio doble bajo emisivo no presenta las menores horas de disconfort por
las horas de su mejor actuación de amortiguar las
Resultados de las Horas de Disconfort por calor y frío durante un año, simulación
oras de disconfort total de un año, muestra la suma de horas de tanto por frío cuanto por calor. Es posible ver el orden de los edificios con
cada tipo de composición material de fachada que presenta de más a menos horas de año. Claramente el de fachada de vidrio simple es el de peor
resultado por presentar muchas horas de disconfort y el mejor es el de hormigón. En total, el edificio de fachadas de vidrio simple presenta 415 horas de disconfort a más
segundo con menos horas de disconfort es el vidrio reflexivo, pero este se asemeja mucho al de vidrio doble bajo emisivo, que presenta pocas horas a más de
893
287
6. Vidrio doble bajo
emisivo
90
Grafica 26. Resultados de las Horas de Disconfort total de un año, simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
Considerando que en un año hay 261 días laborales y que cada día contiene 11 horas de ocupación de los edificios de oficina, hay por lo tanto 2871 horas de ocupación en un año. Con esta base de horas, se determina la siguiente tabla comparativa del porcentaje de horas de disconfort por calor y por frío de un año en cada caso estudiado.
Edificio fachada de: Disconfort por calor/año (%)
Disconfort por frio/año (%)
Disconfort total/ año (%)
Hormigón 18 18,7 36,7 Aluminio 27,7 14,4 42
Vidrio Simple 44 7,2 51,2 Vidrio Reflexivo 27,2 13,1 40,2 Vidrio Prot.Solar 35,6 12,7 48,2
Vidrio Doble B. E. 31,1 10 41,1 Tabla 22. Porcentaje de horas de disconfort por calor y frío en un año de los edificios
analizados. (Elaboración de la autora).
Como en la tabla de porcentaje de disconfort por calor de un día tipo de verano, la tabla de porcentaje de disconfort por año presenta mayor porcentaje por calor en el edificio de vidrio simple y menor en el edificio de hormigón. Al revés, en el día tipo de invierno y también en un año, el edificio de vidrio simple presenta menor porcentaje de disconfort y el de hormigón mayor porcentaje.
También se observa que el porcentaje de horas de disconfort anual por calor son mucho mayores que el porcentaje de disconfort por frío. Esto se verifica principalmente en los edificios de fachadas acristaladas y el único que presenta poca diferencia entre el porcentaje de horas de disconfort por calor y frío, es el edificio de hormigón.
Con los porcentajes de horas de disconfort totales de un año es posible observar cuanto se puede mejorar el confort térmico del edificio por su composición de fachada. El edificio de hormigón presenta una menos 14,5% de horas de disconfort que el
1.054
1.208
1.469
1.155
1.385
1.179
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple
4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo
emisivo
Horas de disconfort total/ Año
91
edificio de vidrio simple. También se observa que la diferencia de porcentaje entre los edificios de aluminio, vidrio reflexivo y vidrio doble bajo emisivo es de 0,9% a 1,8%, o sea, muy pequeña.
Concluidas las simulaciones pasivas y ya determinadas las horas de disconfort, fueron hechas simulaciones considerando los posibles gastos energéticos con climatización. Sigue la gráfica obtenida con las simulaciones activas de cada edificio:
Grafica 27. Resultados de los Gastos Energéticos con refrigeración y calefacción por un año,
simulación con Design Builder (Elaboración de la autora).
Se puede observar que esta grafica 27 está directamente conectada a la gráfica anual de horas de disconfort por calor y frío. Cuanto más horas de disconfort, más gastos con calefacción o refrigeración son generados.
El vidrio simple, a pesar de enormes gastos con refrigeración, es el que menos aporta gastos con calefacción por el facto de constantemente captar más radiación solar que los demás edificios.
La refrigeración es mucho más importante y necesaria que la calefacción. Esto se confirma con el facto de que se trata de un lugar de clima de temperaturas predominantemente en zona de confort, pero que las horas de uso de los edificios de oficina son las que más captan radiación solar.
El único caso en que la calefacción supera la refrigeración necesaria, y por poca diferencia, es en el edificio de fachadas de hormigón. En los casos de los vidrios: reflexivo, de protección solar y doble bajo emisivo, la refrigeración es requerida el doble de la calefacción.
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
55.000
60.000
1. Hormigón 2. Placas Aluminio
3. Vidrio simple
4. Vidrio Reflexivo
5. Vidrio prot. solar
6. Vidrio doble bajo
emisivo
Gastos Energéticos con Climatización Artificial / Año (Wh/m2)
Refrigeración Calefación
92
B – Edificios con entorno urbanístico:
Los gráficos de este ítem resumen los resultados obtenidos de las simulaciones que consideran el entorno urbanístico de los edificios analizados, definido en el inicio del capítulo 5 sobre el modelo teórico.
Son comparados los edificios analizados en el ítem anterior solos, sin el entorno de la ciudad, con los mismos edificios agregando el entorno urbanístico teórico.
Grafica 28. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Máximas del día tipo de verano con y sin entorno urbanístico (Elaboración de la autora).
El gráfico 28 arriba compara las temperaturas operativas máximas de un día tipo de verano de los edificios con y sin entorno urbanístico. Se observan los siguientes factores:
- En todas las composiciones de fachadas, bajan las temperaturas máximas en relación a los mismos casos sin entorno.
- El orden de menor a mayor temperatura sigue la misma - La proporción de diferencias de temperatura sigue más o menos la misma.
27,9
29,6
31,2
28,7 28,828,1
1011121314151617181920212223242526272829303132333435
Hormigón Alumínio Vidrio Simples
Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Temp. Operativa máx./ día tipo verano
Sin Entorno
Com Entorno
93
Grafica 29. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Mínimas del día tipo de invierno con y sin entorno urbanístico (Elaboración de la autora).
El segundo gráfico compara las temperaturas operativas mínimas de un día tipo de invierno, con y sin entorno urbanístico. Se observan los siguientes factores:
- En todas las composiciones de fachadas, temperaturas mínimas bajan de la misma forma que las temperaturas máximas de verano.
- El orden de menor a mayor temperatura sigue las mismas. - Las diferencias de temperatura de un edificio a otro sigue más o menos la
misma proporción que sin considerar el entorno. - Con estos dos primeros gráficos, se verifica que el factor que determina la
disminución de las temperaturas, es la radiación directa, ya que con el entorno aumentan las sombras sobre el edificio.
- Se nota que a pesar de bajaren todas las temperaturas, la diferencia de los edificios sin entorno no es tan grande. Esto se debe a la radiación solar difusa remitida por los edificios alrededor ser bastante considerable, ya que se tratan de edificios altos y con grandes proyecciones de sombras el edificio modelo analizado.
12,6 12,5
13,6
12,3
13,5 13,8
0123456789
101112131415
Hormigón Alumínio Vidrio Simples
Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Temp. Operativa mín./ día tipo invierno
Sin Entorno
Con Entorno
94
Grafica 30. Comparación de resultados de Ganancias Solares del día tipo de verano e invierno
con y sin entorno urbanístico (Elaboración de la autora).
La grafica 30 arriba es un resumen de cuatro factores para cada edificio considerado. Los dos tonos de rojo, tratase de las ganancias solares por ventanas del día tipo de verano y los tonos de azul son del día tipo de invierno. El rojo claro y azul claro son de los edificios sin considerar el entorno urbano. Los tonos fuertes son los que consideran el entorno. Lo que se compara en esta grafica son los dos tonos de rojo entre si y los dos tonos de azul entre sí, o sea, ganancias solares de verano sin y con entorno y ganancias solares de invierno sin y con entorno.
- Las ganancias solares tanto de verano como de invierno bajan
considerablemente con el entorno urbano, alrededor de 36%. - El edificio con fachadas de vidrio simple en todos los casos presenta más
ganancias por radiación solar. - Los edificios de hormigón y aluminio presentan las menores ganancias y se
comportan de la misma forma, ya que son considerados los mismos tamaños y tipos de ventanas para los dos casos.
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Ganancias Solares por ventanas / día tipo verano y invierno (Wh/m2)
Verano Sin entorno Verano Con entorno Invierno Sin entorno Invierno Con entorno
95
- El vidrio de protección solar presenta menores ganancias que el vidrio reflexivo, pero presenta temperaturas más elevadas, como visto en la primera grafica. Esto se debe, como ya explicado anteriormente, a las perdidas energéticas por transmitancia de la capa, ya que el vidrio reflexivo presenta “U” más alta que el vidrio de protección solar.
Abajo sigue la gráfica y análisis de las horas de disconfort de un año:
Grafica 31. Comparación de resultados de Horas de Disconfort por calor y frío de un año con y
sin entorno urbanístico (Elaboración de la autora).
- Se observa que las horas de disconfort por calor bajan considerablemente en
todos los casos. Este factor se debe a que disminuyen las ganancias solares por las ventanas, ya que presentan más horas sombreadas. Se observa una disminución de horas de disconfort por calor de un 28%.
- Las horas de disconfort por frío aumentan, también por el facto de disminuir las ganancias solares. Pero para el caso del porcentaje de disconfort por frío, aumentan alrededor de 7%, menos porcentaje que para las horas de verano. Por lo tanto, el entorno y las sombras consecuentemente producidas por este, aportan menos horas de disconfort en total, al sumar las horas por calor y frío.
- El edificio compuesto por fachadas de hormigón continúa siendo el de menos horas de disconfort por calor y más horas de disconfort por frío. Ya el edificio de vidrio simple continúa como el que presenta más horas de disconfort por calor y menos por frío.
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
Hormigón Alumínio Vidrio Simples
Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo
Emisivo
Horas de disconfort por calor X frío / Año
Calor - Sin entorno
Calor - com entorno
Frío - sin entorno
Frío - com entorno
96
Grafica 32. Comparación de resultados de los Gastos Energéticos con refrigeración y calefacción por un año, con y sin entorno urbano (Elaboración de la autora).
En esta ultima grafica, en azul aparecen los gastos energéticos con refrigeración, el más claro es referente a los edificios sin entorno urbano y más oscuro con entorno. En naranja son los gastos energéticos con calefacción, sin y con entorno.
- Esta grafica es reflejo de las graficas de horas de disconfort. - Como las temperaturas más altas y las horas de disconfort por calor bajan en
los edificios con entorno, sus gastos con refrigeración también bajan. - En el caso de la calefacción pasa lo contrario, ya que las temperaturas más
frías bajan todavía más y las horas de disconfort por frío suben. De esta forma bajan gastos con refrigeración y suben los gastos con calefacción.
- Mismo con el análisis arriba, los gastos con refrigeración son más altos y más importantes que los de calefacción, para estos casos de edificios analizados.
- Los gastos con refrigeración bajan un 28% y los gastos con calefacción suben un 7%, eso corresponde a la misma proporción observada en las horas de disconfort por calor y por frío.
- El único caso que continua presentando gastos con calefacción más altos que con refrigeración, es el caso del edificio de fachadas de hormigón.
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
50.000
55.000
60.000
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energéticos con refrigeración y calefación/ año (Wh/m2)
Refrigeración Sin entorno Refrigeración Con entorno
Calefación Sin entorno Calefación Con entorno
97
C – Comparaciones con los giros del edificio a 30º y 45º:
Con el intuito de comprobar los análisis de radiación solar sobre las fachadas del edificio y la influencia en el confort térmico, descrito en el capítulo 2.3, este ítem aborda los resultados de simulaciones dinámicas de los giros del edificio propuestos en esta investigación. De esta manera, se puede comprobar el comportamiento del edificio frente a las distintas orientaciones de las fachadas y su captación solar.
Las primeras graficas analizadas en este caso, son las de ganancias solares por ventanas para los dos casos extremos del año: el de verano y de invierno.
En verde aparecen los resultados analizados previamente del edificio sin giro en relación al norte, o sea girado 0º. En azul son los resultados de los mismos edificios, pero girados a 30º y en rojo a 45º.
Grafica 33. Comparación de resultados de Ganancias Solares del día tipo de verano con giros del edificio
a 0º, 30º y 45º (Elaboración de la autora).
050
100150200250300350400450500550600650700750800850
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo Vidrio Protección Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Ganancias Solares por ventanas/ día tipo verano (Wh/m2)
0º 30º 45º
98
Grafica 34. Comparación de resultados de Ganancias Solares del día tipo de invierno con giros del edificio a 0º, 30º y 45º (Elaboración de la autora).
En el día tipo de verano, que aparece en la primera gráfica, se observa que al girar los edificios a 30º, la suma de las ganancias solares de las fachadas de todos los edificios es mayor que los edificios a 0º. Las ganancias solares aumentan más al girar los edificios a 45º. A pesar del incremento ser relativamente pequeño en las dos situaciones, en verano significa más incremento de las temperaturas más altas y por lo tanto más horas de disconfort.
Para el día tipo de invierno, se verifica el opuesto, o sea, al girar los edificios a 30º, disminuyen las ganancias solares y bajan todavía más en los edificios girados a 45º. Esto corresponde a menores ganancias cuando se necesita más, pues este periodo corresponde a las menores temperaturas.
Fueron analizados los porcentajes de más ganancias solares en verano y menos en invierno para cada giro de los edificios, comparados entre ellos. La tabla abajo presenta los porcentajes de comparación de más o menos ganancias solares en relación a los giros y día. Los porcentajes positivos, significan más determinada porcentaje de ganancias solares y los negativos son lo cuanto por ciento disminuyen las ganancias al girar los edificios. Por ejemplo: en el día tipo de verano, los edificios girados a 30º presentan 3,5% más ganancias solares que el edificio a 0º.
Ganancias Solares 0º X 30º (%) 0º X 45º (%) 30º X 45 (%) Día tipo verano 3,6 4,6 1,1
Día tipo invierno -3,5 -5,1 -1,7 Tabla 23. Comparación porcentajes de Ganancias Solares de los giros del edificio a 0º, 30º y 45º del día
tipo de verano y invierno (Elaboración de la autora).
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo Vidrio Protección Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Ganancias Solares por ventanas/ día tipo invierno (Wh/m2)
0º 30º 45º
99
En la tabla arriba se observa que al comparar los giros a 30º y 45º, hay menos distinción de ganancias solares, mientras que las comparaciones que marcan mayores diferencias son entre los edificios a 0º y 45º. De todas maneras, los giros de los edificios presentan poca diferencia de ganancias solares entre ellos.
Para verificar la correspondencia de las ganancias solares en las temperaturas interiores máximas y mínimas de los días tipos en cada edificio, son hechas las dos graficas a seguir.
Grafica 35. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Máximas del día tipo de verano con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
Grafica 36. Comparación de resultados de Temperaturas Operativas Mínimas del día tipo de invierno con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Temperatura Operativa máxima/ día tipo verano
Giro 0º Giro 30º Giro 45º
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Temperatura Operativa minima/ día tipo invierno
Giro 0º Giro 30º Giro 45º
100
Con mayores ganancias solares en un día tipo de verano, que se verifica al girar los edificios a 30 y 45º, consecuentemente las temperaturas más altas suben más, significando mayor disconfort. Ya en invierno, las temperaturas extremas más bajas, en los dos casos bajan más. A pesar de eso, los giros presentan en general muy poca diferencia de las temperaturas más altas y más bajas de los días tipos de verano e invierno.
Se puede verificar en las dos graficas abajo, 37 y 38, que crecen las horas de disconfort tanto por calor cuanto por frío, siendo el peor caso analizado en los edificios girados a 45º.
En la gráfica de horas de disconfort por frío, se verifica poca distinción entre los tres tipos de giros analizados, principalmente entre los edificios girados a 30º y 45º. Hay más distinción del edificio a 0º comparado a los otros dos giros.
Grafica 37. Comparación de resultados de Horas de Disconfort por calor de un año con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
0100200300400500600700800900
1.0001.1001.2001.3001.400
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Horas de disconfort por calor / Año
0º 30º 45º
101
Grafica 38. Comparación de resultados de Horas de Disconfort por frío de un año con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
Comparando la diferencia de horas de disconfort por calor y frío de los giros en
porcentaje, se obtiene la siguiente tabla:
Horas Disconfort 0º X 30º (%) 0º X 45º (%) 30º X 45 (%) Por calor 5 7 2 Por frío 4,5 8 3,5
Tabla 24. Comparación porcentajes de Ganancias Solares de los giros del edificio a 0º, 30º y 45º del día
tipo de verano y invierno (Elaboración de la autora).
En esta tabla se observa que al girar los edificios a 30º, las horas de disconfort presentan el mismo porcentaje de diferencia por horas de calor y por frío comparados a los girados a 0º. Ya comparando los edificios a 0º con 45º, hay más porcentaje de disconfort por frío que por calor. Lo mismo pasa cuando se compara los edificios a 30º y 45º, o sea, los girados a 45º presentan más porcentaje de disconfort por frío que por calor.
Las dos siguientes graficas muestran los posibles gastos energéticos con refrigeración y calefacción para adecuar las temperaturas interiores a niveles de confort.
0
100
200
300
400
500
600
700
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Horas de disconfort por frío / Año
0º 30º 45º
102
Grafica 39. Comparación de resultados de los Gastos Energéticos con refrigeración por un año, con con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
Grafica 40. Comparación de resultados de los Gastos Energéticos con calefacción por un año, con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
Estas dos últimas gráficas siguen el orden de las gráficas de ganancias solares y
principalmente horas de disconfort por calor y frío, respectivamente. Al considerar los edificios girados a 30º y 45º grados, aumentan los gastos energéticos con refrigeración y calefacción, siendo el peor caso, el giro a 45º.
Estas graficas, 39 y 40, presentan el mismo porcentaje de diferencia de gastos de calefacción y refrigeración entre los giros que las gráficas 37 y 38 cuanto a las horas de disconfort. Por ejemplo, los edificios girados a 30º presentan 5% más gastos con
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
30.000,00
35.000,00
40.000,00
45.000,00
50.000,00
55.000,00
60.000,00
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energéticos con refrigeración año (Wh/m2)
0º 30º 45º
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
30.000,00
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energéticos con calefación año (Wh/m2)
0º 30º 45º
103
refrigeración y 4,5% más gastos con calefacción que los girados a 0º. Estos 5% corresponden a la misma diferencia entre estos giros cuanto a las horas de disconfort. De la misma forma, los edificios girados a 45º presentan más 7% de gastos con refrigeración y 8% más con calefacción que los a 0º. Así, la tabla 24 de comparaciones del porcentaje de diferencia entre los giros cuanto a horas de disconfort sirve también para comparar los gastos energéticos con climatización entre ellos.
Si comparados estos resultados con el análisis previo de la radiación solar y captación de cada fachada con los giros, mostrado en el capítulo 2.3, se observa la comprobación de la evaluación de los casos con las simulaciones. Esto se ve claramente en la siguiente gráfica ya presentada anteriormente en el capítulo 2.3., que muestra la captación solar en cubos analizados con los giros considerados para las simulaciones de los edificios. Esta grafica presenta una previa de los resultados obtenidos en las simulaciones, aquí analizadas, de los edificios con los mismos giros. Se observa que el cubo 1, que corresponde al edificio girado a 0º, presenta menos ganancias solares en verano y más en invierno.
Grafica 8. Suma de la radiación Solar incidente (kW) de un día promedio de cada mes del año en las
fachadas: cubo 1 girado a 0º, cubo 2 girado a 30º y cubo 3 girado a 45º. (Elaboración de la autora)
A pesar de esta grafica 8 presentar distinta captación solar en cada uno de los cubos girados, al realizar las simulaciones fue posible percibir que para el edificio modelo analizado, los tipos de fachadas, el local y clima considerados, los giros de los edificios no presentan distinciones muy grandes entre ellos. Las proporciones de diferencia entre un giro y otro considerados no presentan ganancias solares, horas de disconfort y gastos energéticos muy distintos.
Lo que se observó también es que en todos los casos, a pesar de captaren la radiación de forma distinta, la temperatura más alta del día tipo siempre es a las 14 horas, dentro del período considerado de 8 a las 19 horas. La temperatura más baja siempre es a las 8 horas.
Como forma de verificar la efectividad cuanto a los gastos energéticos con climatización en general, se elaboró una gráfica con la suma de los gastos de refrigeración y calefacción anual. Ya que en el caso del edificio de fachadas de vidrio simple, los gastos de refrigeración son los mayores entre todos los edificios y los gastos de calefacción son los menores, como forma de establecer el edificio con menores gastos totales, se plantea la grafica 41 abajo.
5,00
5,20
5,40
5,60
5,80
6,00
6,20
6,40
6,60
6,80
7,00
Cubo 1
Cubo 2
Cubo 3
104
Grafica 41. Resultados de los Gastos Energéticos con climatización general por un año, con giros del edificio a 0º, 30º y 45º. (Elaboración de la autora).
D – Comparaciones totales – Giro a 0º sin entorno, con entorno, giro a 30º y a 45º:
En este artículo son comparados algunos resultados de los tres artículos arriba: A, B y C. De esta forma, es posible verificar la efectividad de cada uno de los edificios comparados entre todas las opciones y parámetros analizados en esta investigación.
Los dos principales puntos verificados en las simulaciones fueron las horas de disconfort y los gastos energéticos con climatización de cada opción de edificio. Como evaluado anteriormente, las horas de disconfort y gastos energéticos presentan porcentajes proporcionales de diferencia entre los edificios, o sea, un determinado valor de porcentaje de horas de disconfort por calor comparando los giros a 0º y a 30º será equivalente al porcentaje de gastos energéticos con climatización de los mismos giros comparados entre ellos.
De esta forma, fue seleccionado solamente un parámetro a ser comparado entre todos, los gastos energéticos con climatización artificial, tanto por refrigeración como por calefacción.
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
30.000,00
35.000,00
40.000,00
45.000,00
50.000,00
55.000,00
60.000,00
65.000,00
70.000,00
75.000,00
80.000,00
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo Vidrio Protección Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energéticos con climatización artificial/ año (Wh/m2)
0º 30º 45º
105
Grafica 42. Comparación de los Gastos Energéticos con refrigeración de un año, de los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. (Elaboración de la autora).
La gráfica 42 presenta la comparación entre los gastos con refrigeración de los seis edificios con distintas fachadas y los parámetros considerados de los giros y entorno urbano. Se observa los siguientes factores:
- Los edificios a 0º con entorno son los que presentan menores gastos energéticos con refrigeración en todos los edificios considerados.
- El entorno presenta un porcentaje mucho más evidente de diferencia de gastos con refrigeración comparado a los giros sin entorno. Abajo sigue una tabla comparativa de los porcentajes de aumento o disminución de gastos energéticos entre los edificios a 0º, 30º, 45º y 0º con entorno. La señal de “+” significa que el segundo aporta más refrigeración que el primero caso y la señal de “-“ significa que el segundo aporta menos que el primero.
0º X 30º 0º X 45º 30º X 45º 0º X 0º + Entorno
30º X 0º + Entorno
45º X 0º + Entorno
+ 5% + 7% + 2% - 28% - 31% - 32,7%
Tabla 25. Comparación de porcentajes de Gastos energéticos con refrigeración entre los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. (Elaboración de la autora).
Se observa en la tabla arriba, que la mayor diferencia entre gastos de refrigeración es entre los edificios girados a 45º y el girado a 0º con entorno urbano. Cuando se considera el entorno urbano, los edificios gastan menos 32,7% de refrigeración.
Comparando los edificios girados a 30º con los girados a 45º, hay solamente un aumento de 2% de refrigeración. Como ya analizado anteriormente, los giros a 30º y 45º presentan poco porcentaje a más de refrigeración en relación los edificios a 0º. Eso también se observa al comparar los porcentajes obtenidos de los giros comparados al
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
30.000,00
35.000,00
40.000,00
45.000,00
50.000,00
55.000,00
60.000,00
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energeticos con Refrigeración/ año (MWh/m2)
0º 30º 45º 0º + Entorno
106
entorno, pues se nota poca distinción entre el valor obtenido del “30º X 0º + Entorno” y el valor de “45º X 0º + Entorno”. Ya hay mucha distinción entre los porcentajes encontrados, por ejemplo, entre “0º X 45º y el valor de “45º X 0 + Entorno”. La diferencia entre estos dos valores es debido al entorno urbano considerado en el último.
Grafica 43. Comparación de los Gastos Energéticos con calefacción de un año, de los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. (Elaboración de la autora).
En el caso de los gastos por calefacción pasa un detalle distinto del caso de la refrigeración. Como el entorno hace con que los edificios presenten menos ganancias solares, los gastos con calefacción suben en mayor proporción que en los edificios girados a 30º y 45º. Eso hace con que haya menor porcentaje de diferencia entre el edificio a 0º con entorno urbano y los edificios a 30º y 45º, diferentemente de lo que se observa en la refrigeración. La siguiente tabla presenta los porcentajes de comparación entre los gastos energéticos con calefacción en un año.
0º X 30º 0º X 45º 30º X 45º 0º X 0º + Entorno
30º X 0º + Entorno
45º X 0º + Entorno
+ 4,5% + 8% + 3,5% + 7% + 2,3% - 1%
Tabla 26. Comparación de porcentajes de Gastos energéticos con calefacción entre los edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. (Elaboración de la autora).
En esta tabla es posible ver que la proporción de comparación con el entorno es mucho menor que la refrigeración, principalmente en la comparación de los edificios girados a 45º y el 0º con entorno urbano, que presenta simplemente menos 1% de gastos con calefacción.
Para comprobar las proporciones de cambios entre los edificios analizados sumando los gastos con refrigeración y calefacción, que presentan comparaciones bastante distintas, se presenta la gráfica comparativa 44, presentada abajo.
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
30.000,00
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo
Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energeticos con Calefacción/ año (MWh/m2)
0º 30º 45º 0º + Entorno
107
Grafica 44. Comparación de los Gastos Energéticos con climatización general por un año, de los
edificios a 0º, 30º, 45º y a 0º con entorno urbano. (Elaboración de la autora).
La gráfica 44 muestra que el entorno, a pesar de no presentar grandes diferencias de los edificios sin entorno cuanto a gastos con calefacción, presenta gastos totales de climatización mucho menores que sin el entorno. De esta forma, la refrigeración influye más en los gastos totales que la calefacción para este local y clima considerado.
Los edificios a 0º con entorno urbano presentan alrededor de 16% menos gastos con climatización que los edificios a 0º sin entorno. El mismo presenta menos 20% de gastos comparado a los edificios girados a 30º sin entorno y 27% menos que los edificios a 45º. Por lo tanto, los edificios con entorno pueden mejorar el desempeño comparado a los sin entorno, por lo menos, unos 16%.
Los edificios sin entorno girados a 30º presentan más gastos energéticos totales que los a 0º sin entorno en una escala de 5%. Ya los girados a 45º presentan alrededor de 7% más gastos que los a 0º.
El edificio de mayores gastos energéticos con climatización total en un año es el de fachadas de vidrio simple girado a 45º en relación al norte. Este presenta 43% más gastos energéticos que el de hormigón girado a 0º con entorno urbano, edificio de menores gastos entre todos los analizados.
La tabla a seguir presenta el orden de efectividad de confort que presentan las simulaciones, comparando solamente la composición material de las fachadas. El orden es presentado de más confort (1) a menos confort (6), para periodos de calor, frío y total calor + frío del año. También se presenta en porcentaje de disconfort total que cada edificio representa durante el año, o sea, en 2871 horas de ocupación. (Horas laborales = 11 horas/día y 5 días/semana).
Orden de Efectividad de Confort Térmico Disconfort Total/ año (%)
Fachadas Confort calor Confort frío Confort año Hormigón 1 6 1 36,7 Aluminio 3 5 4 42
Vidrio Simple 6 1 6 51,2 Vidrio Reflexivo 2 4 2 40,2
Vidrio Proct. Solar 5 3 5 48,2 Vidrio Doble Bajo Em. 4 2 3 41,1
Tabla 27. Efectividad de confort térmico de los edificios analizados. (Elaboración de la autora).
0,005.000,00
10.000,0015.000,0020.000,0025.000,0030.000,0035.000,0040.000,0045.000,0050.000,0055.000,0060.000,0065.000,0070.000,0075.000,0080.000,00
Hormigón Alumínio Vidrio Simples Vidrio Reflexivo Vidrio Protección
Solar
Vidrio Doble Bajo Emisivo
Gastos Energeticos con Refrigeración y Calefacción/ año (MWh/m2)
0º 30º 45º 0º + Entorno
108
7. Conclusiones
109
Esta investigación se ha iniciado a partir de la observación de la arquitectura de los edificios de oficinas existentes en la ciudad de São Paulo y el crecimiento del interés por envolventes acristaladas para este tipo de uso. También se ha verificado una evolución de nuevos y distintos tipos de vidrios utilizados para estos edificios con el objetivo de mejorar el comportamiento térmico. Con estas observaciones, surge el interés de evaluar el comportamiento térmico de las composiciones materiales de fachadas en los edificios de oficinas localizadas en São Paulo. Para lograr estudiar las cuestiones del comportamiento térmico de las fachadas más utilizadas en el local, fueron analizadas algunas investigaciones previas, como “Edificios de escritórios na cidade de São Paulo” (Fialho Novelli, Roberto, 2007), que ha ayudado a determinar la evolución histórica de la localización de edificios de oficina y las tipologías y características arquitectónicas más utilizadas en el local estudiado. Otras bibliografías han sido analizadas para componer el estado del arte y establecer parámetros utilizados en el desarrollo de esta investigación.
A partir de estos análisis previos se han determinado los locales donde se localizan predominantemente las oficinas, las características del entorno urbano de estos locales, un entorno urbanístico teórico, un modelo de edificio de oficinas teórico para simulaciones dinámicas del comportamiento térmico.
Ha sido muy importante determinan algunos parámetros fijos para las simulaciones como: horas de ocupación, las actividades realizadas en el espacio, características constructivas fijas (estructuras, pisos, forjados, techos), para que el parámetro cambiante fuera el único determinante de las simulaciones, que en este caso son las fachadas. Uno de los parámetros más importantes fue la determinación de una ventilación constante y alta para todas las simulaciones, de manera que este no fuera el parámetro de comparación entre una simulación y otra, más si las fachadas.
Determinadas las características fijas del modelo de edificio de oficinas, fueron elegidas las composiciones materiales de fachadas y analizadas sus propiedades térmicas de forma simplificada. Con esto, fueron hechas diversas simulaciones dinámicas del modelo y analizados los resultados obtenidos. Las tablas y graficas hechas a partir de estos resultados permitieron comparar una composición de fachada con otra y concluir, además de la fachada más eficiente, las distinciones entre una solución y otra. Fue posible observar los parámetros más relevantes para la determinación del confort térmico en el clima estudiado, la evaluación de situaciones extremas de temperaturas de verano e invierno y los gastos con climatización artificial de cada caso analizado.
Las simulaciones fueron realizadas en cuatro etapas distintas de evaluación y comparación de la efectividad del comportamiento térmico. En la primera etapa es considerado el edificio modelo solo, sin entorno y girado a 0º en relación al norte. El edificio modelo es simulado, de esta forma, con las seis composiciones de fachadas elegidas, en las cuatro fachadas que componen el edificio. Forman, entonces, seis edificios con los mismos parámetros, solo cambiando la composición material de
110
fachada. Son establecidas simulaciones sin climatización artificial, para saber el comportamiento pasivo de los edificios, o sea, cuales son las temperaturas interiores en situaciones críticas de verano e invierno, considerando solamente la ventilación natural y las propiedades de los materiales de la envolvente.
En esta primera fase, también es posible observar la captación solar de los casos analizados y las perdidas energéticas por los muros y ventanas. En los resultados se observa cuales con los parámetros más determinantes del comportamiento térmico en cada caso.
En la segunda fase, los mismos seis edificios son analizados considerando el entorno urbano teórico establecido previamente en esta investigación. Esto permite determinar cuánto influye el entorno urbano en la captación solar y en el comportamiento térmico de los edificios. Es importante fijar que en las simulaciones realizadas no ha sido posible considerar los aportes de ocupación, iluminación y aparatos electrónicos de edificios del entorno urbano. Estos aportes internos de los edificios alrededor y de la ciudad, son de gran importancia y ciertamente al considerarlos, influenciaría bastante en los resultados. En esta investigación, el intuito es observar solamente la influencia de la incidencia de la radiación solar y de sombras en los edificios en esta localización.
La tercera fase de simulaciones tratase de un análisis de la captación solar del edificio considerando este girado en relación al norte. Al girar el edificio, la incidencia de radiación solar en cada fachada es distinta y consecuentemente aporta ganancias solares también distintas. Así, con las simulaciones de los seis edificios girados es posible verificar las distinciones de la captación solar de cada uno, el comportamiento térmico y comparar los giros elegidos para esta investigación.
La cuarta y última fase presenta una comparación entre las tres fases anteriores, o sea, se trata de una comparación entre todas las simulaciones realizadas.
Las principales conclusiones obtenidas de los análisis previos y de las simulaciones son listadas a seguir, seguidas de algunas conclusiones secundarias y que completan las principales.
1- Entre totas las simulaciones analizadas en esta investigación, el edificio que presenta los mejores resultados es el de fachadas de hormigón con entorno urbano, girado a 0º. Por tanto, es la composición material de fachadas del edificio modelo considerado que presenta mejor comportamiento térmico para la ciudad de São Paulo. Este reduce los gastos energéticos en un 43% comparado al edificio de fachadas de vidrio simple sin entorno girado a 45º, que es el de peores resultados, o sea, más gastos energéticos y más horas de disconfort totales.
2- Comparando solamente los edificios cuando a las composiciones materiales, sin entorno urbano y girados a 0º, el que presenta mejores resultados cuanto las
111
horas de disconfort y gastos energéticos con climatización totales de un año es el de fachadas de hormigón y peores resultados el de vidrio simple, con una diferencia de 32% entre ellos. El de hormigón presenta 47.857,63 Wh/m2 gastos totales de climatización por año y el de fachadas de vidrio simple presenta 70.511,92 Wh/m2.
3- Al considerar el entorno en las simulaciones, se percibe que en todas las situaciones, tanto en verano como en invierno, bajan las ganancias solares alrededor de 36% y consecuentemente las temperaturas. Esto hace con que los gastos con refrigeración también bajen, pero suben los gastos con calefacción. Los edificios a 0º con entorno bajan 28% de gastos con refrigeración y suben 7% gastos con calefacción comparados a los edificios a 0º sin entorno. Al considerar el total de un año, los edificios presentan menos 16% gastos energéticos totales que los edificios sin entorno.
4- Los giros de los edificios a 30º y a 45º influyen poco en el comportamiento térmico de ellos, aumentando en pequeña proporción las horas de disconfort y gastos energéticos al compararlos con los edificios a 0º. Los edificios girados a 30º presentan solamente 5% más gastos energéticos con climatización y los girados a 45º presentan 7% más.
5- El horario de uso de los edificios de oficina es un factor muy determinante en todos los resultados. Por no contener la variación día-noche, las temperaturas más frías no presentan grandes variaciones entre los edificios analizados y no son tan significativas como las temperaturas más altas. Si las horas de ocupación considerasen la variación día-noche, el comportamiento de los edificios analizados con distintas fachadas, presentaría grandes distinciones entre uno y otro, una vez que cada composición de fachada presenta distintas propiedades de transmitáncia térmica.
El edificio de vidrio doble bajo emisivo era esperado para ser el de menos horas de disconfort por frío, ya que su doble capa presenta una “U” más baja de todos los edificios considerados. Lo que determina el vidrio simple como él con menos horas de disconfort por frío son las horas consideradas en el análisis. Como tratase de las horas de ocupación de las oficinas, o sea, casi siempre las horas con incidencia del sol, lo que se sobresale en este caso son las ganancias solares del edificio de vidrio simple que son mucho más altas que del vidrio doble bajo emisivo.
6- Se verifica, claramente, que todos los factores de pérdidas y ganancias energéticas influyen en las temperaturas operativas interiores, pero para las temperaturas más altas, el factor más importante es la ganancia solar y para las temperaturas más bajas, es la transmitancia térmica de la capa, la “U”.
112
Para el local, clima y uso analizados, donde el verano es la estación que presenta más horas de disconfort, las pérdidas energéticas por la envolvente es el factor de menor relevancia para la determinación del conforto térmico de los edificios de oficinas. En este caso, los factores más importantes son: ganancias por radiación solar, aportes internos y ventilación.
7- Entre los edificios de fachadas de vidrios analizados, el de vidrio reflexivo es el que presenta mejores resultados, con menos horas de disconfort y menos gastos energéticos. Es importante observar que el edificio de vidrio reflexivo presenta 13,6% más ganancias solares, que el de vidrio de protección solar y 17,2% que el de vidrio doble bajo emisivo. A pesar de esto, pierde más energía por la envolvente que estos otros dos. El reflexivo presenta 43% más perdidas que el de protección solar y 28% más perdidas que el doble bajo emisivo. En un año, el edificio de fachadas de vidrio reflexivo presenta 10 horas más disconfort por frío que el de vidrio de protección solar y 88 horas más que el doble bajo emisivo. Cuanto a horas de disconfort por calor, presenta 241 menos horas que el de protección solar y 113 que el doble bajo emisivo. En la suma de horas de disconfort totales, el de edificio de vidrio reflexivo presenta menos horas de disconfort que los otros dos. Esto muestra que para el periodo de ocupación y local considerado, las perdidas por transmitancia no aportan muchas horas de disconfort por frío y que las ganancias solares son más relevantes. El edificio de fachadas tradicionales de hormigón presenta mejores soluciones que los nuevos edificios acristalados, pero si, en una situación específica, es más importante mantener el interés por una estética de fachadas de vidrio, la mejor opción para la ciudad de São Paulo son los vidrios reflexivos.
Abajo siguen algunas conclusiones secundarias y que completan las conclusiones principales.
1- Conclusiones cuanto a la primera fase: los edificios girados a 0º sin entorno urbano:
- Cuando se trata de temperaturas elevadas, entre los edificios estudiados, el que corresponde a mayor confort térmico, o sea, menos horas de disconfort por calor y menores gastos con refrigeración es el compuesto por fachadas de hormigón. Este presenta 60% menos gastos energéticos con refrigeración en un año que el edificio de vidrio simple, de peor comportamiento.
- Cuanto a las temperaturas más bajas, el que presenta menos horas de disconfort por frío y menos gastos energéticos con calefacción es el de fachadas de vidrio simple, con 42% menos gastos que el edificio de hormigón, que corresponde al edificio de mayores gastos con calefacción.
- El porcentaje de gastos con refrigeración comparado a los gastos con calefacción cambia entre un edificio y otro. El único edificio que presenta más gastos con calefacción que refrigeración es el de fachadas de hormigón, pero en un orden de solamente 12% más gastos con calefacción que
113
refrigeración. Los demás edificios presentan mayor porcentaje de gastos con refrigeración que calefacción, observado en la siguiente secuencia:
Edificio de fachadas de vidrio reflexivo: 40% más refrigeración Edificio de fachadas de aluminio: 41,5% más refrigeración Edificio de fachadas de vidrio protección solar: 53,5% más refrigeración Edificio de fachadas de vidrio doble bajo emisivo: 61% más refrigeración Edificio de fachadas de vidrio simple: 74% más refrigeración.
- El edificio con fachadas de vidrio simple es el que presenta mayores ganancias solares tanto en verano cuanto en invierno. Presenta también mayores pérdidas energéticas por la envolvente cuando las temperaturas externas son las extremas frías. A pesar de esto, es el que presenta menos horas de disconfort por frío. Ya cuando las temperaturas exteriores son más elevadas, es el que presenta más horas de disconfort, además de presentar las temperaturas internas máximas más altas entre todos los edificios analizados.
- Como el edificio de vidrio simple es el que presenta peores resultados para el total de horas de disconfort de un año, se verifica que la suma de ganancias solares por ventanas es mucho más grande que la de pérdidas energéticas por la envolvente.
- El edificio con fachadas de hormigón, al contrario del de vidrio simple, presenta menores horas de disconfort por calor y las mayores en días extremos de frío. Como al considerar las horas totales de un año, este presenta menos disconfort, se observa que el disconfort por frío es mucho menos significante que las horas de calor.
- También de forma curiosa, el edificio de fachadas de aluminio no presenta tantas horas de disconfort por calor como esperado anteriormente. Eso se debe por su área de captación solar directa ser mucho menor que los edificios de fachadas de vidrio.
- La gran mayoría de los edificios de oficinas de São Paulo no utilizan calefacción, pero utilizan la refrigeración constantemente y en gran escala. Las simulaciones muestran que los edificios estudiados presentan algunas pérdidas energéticas por la envolvente y teóricamente necesitarían de gastos con calefacción para ofrecer temperaturas en niveles de confort térmico.
- Los fabricantes de vidrios presentan cada vez más innovaciones del sus productos. Actualmente son utilizados, principalmente en países de climas con altas temperaturas, nuevos vidrios con distintos tipos de tratamiento en la construcción, de forma a lograr confort térmico y no perder la estética fornecida por estos. A partir de las simulaciones realizadas fue posible concluir que la fachada convencional de hormigón presenta mejor solución que el edificio de fachadas de vidrio simple y que los tres otros con fachadas
114
de vidrios con un tipo de tratamiento. El de hormigón presenta menores horas de disconfort y menos gastos con climatización artificial que el edificio de fachadas de placas de aluminio y los cuatro edificios con fachadas de vidrios seleccionados para el análisis: de vidrio simple, reflexivo, vidrios de protección solar y vidrio doble bajo emisivo.
A pesar del mercado presentar cada día nuevas soluciones de vidrios con distintas protecciones solares, las fachadas de vidrio presentan en general más ganancias por radiación solar y mayores temperaturas, principalmente en las horas de temperaturas exteriores más altas. Los nuevos vidrios con distintos tratamientos especiales para la envolvente de los edificios acostumbran ser soluciones caras y muchas veces no presentan grandes mejoras si comparados a composiciones de vidrios más sencillos como el vidrio reflexivo.
- Distinto de lo que se esperaba los nuevos tratamientos de vidrios, como el de protección solar y el doble bajo emisivo, no presentan grandes mejoras respecto al edificio de vidrio simple cuanto al confort térmico y acabaran actuando peor que el vidrio reflexivo, que es una solución más sencilla. Como forma de comparar la efectividad de los edificios con fachadas de vidrios tratados (reflexivo, protección solar y doble bajo emisivo), estos son comparados, cuanto a los gastos energéticos, al edificio de vidrio simple, que presenta los peores resultados. Abajo sigue el porcentaje de menos gastos energéticos comparado a los gastos del edificio de vidrio simple:
Edificio de fachadas de vidrio reflexivo: 19% menos gastos Edificio de fachadas de vidrio de protección solar: 10% menos gastos Edificio de fachadas de vidrio doble bajo emisivo: 18% menos gastos
2- Conclusiones cuanto a la segunda fase: edificios a 0º sin entorno comparado a 0º con entorno:
- Considerando el entorno urbano, el edificio de hormigón continúa siendo el de menos horas de disconfort entre los otros con entorno.
- El orden de eficiencia de las capas sigue la misma que aparece en los edificios sin entorno: 1- Edificio de fachadas de hormigón; 2- vidrio reflexivo; 3- vidrio doble bajo emisivo; 4- aluminio; 5- vidrio protección solar y 6- vidrio simple, siendo el ultimo el menos efectivo.
- Llevando en cuenta que las ganancias solares por ventanas bajan en una proporción más alta que las temperaturas interiores, probablemente lo que influye además de las perdidas por transmitancia térmica, es la radiación solar difusa y los aportes energéticos de edificios próximos.
3- Conclusiones cuanto a la tercera fase: comparación de edificios sin entorno girados a 0º, 30º y 45º.
- En la tercera fase, se observa que al girar los edificios a 30º en relación al norte y comparando con los a 0º, suben las ganancias solares en verano y bajan en invierno, haciendo con que las situaciones extremas se tornen más
115
extremas, o sea, las altas temperaturas de verano sean más altas y las más bajas sean más bajas. Al girar el edificio a 45º las ganancias solares en suben en verano y bajan en invierno todavía más que el girado a 30º, haciendo con que los edificios a 45º tengan más horas de disconfort que los a 0º y 30º. A pesar de esto, la proporción que aumentan las horas de disconfort y gastos energéticos al girar los edificios a 30º y 45º es muy pequeña, como explicado anteriormente en la conclusión numero 4.
- A pesar de ser en pequeña proporción, la mejor opción entre los giros del edificio es el direccionado a 0º en relación al norte, pues presenta menores aportes por radiación solar en verano que él y mayores en invierno entre los tres giros considerados. Lo edificios a 0º presentan 3,6% menos ganancias solares en verano que los edificios a 30º y 4,6% menos que los a 45º. En invierno presentan 3,5% más ganancias solares que los a 30º y 5,1% más que los a 45º.
Planteamientos Futuros:
En este apartado final son listados algunos puntos interesantes de estudio que no han sido considerados en esta investigación o que podrían hacer parte de temas para futuras investigaciones.
Como secuencia a esta investigación, sería interesante poder analizar el edificio modelo con otras variantes de su composición de fachadas, en que al revés de tener todas las fachadas la misma composición, se intercalarían con distintas composiciones. Por ejemplo, sería posible analizar que pasaría se el edificio tuviera dos fachadas de hormigón y las otras dos de uno de los tipos de vidrio propuestos, entre otras variaciones.
Otras variantes que podrían ser consideradas para futuras investigaciones son:
- Analizar más profundamente las interferencias del entorno en el edificio modelo, llevando en consideración las islas de calor, que son muy frecuentes en São Paulo.
- Analizar otros tipos de composiciones materiales de las fachadas de los edificios, por ejemplo nuevas composiciones de vidrios que surgen en el mercado constantemente.
- Analizar fachadas acristaladas con otras protecciones solares como aleros y brises soléis para verificar el confort térmico y gastos con climatización artificial.
- Investigar otros tipos de composiciones materiales para las fachadas en este clima que podrían presentar mejor solución que los materiales constantemente utilizados en este local.
116
Bibliografía
117
ACM ALCOPLA: Placas compostas de ACM: “http://www.alcopla.com.br” – Jul/2013. ANALISYS BIO. Disponible en: “http//www.labeee.ufsc.br/downloads/software” – Jun/2013. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR15220 – 2 de 04/2005: Desempenho Térmico de Edificações – Parte 2: Métodos de cálculo de transmitância térmica, capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações. ARCO WEB - Conjunto Brascan: “http://www.arcoweb.com.br/arquitetura/konigsberger-vannucchi-arquitetos-associados-
complexo-multiuso-21-11-2003.html” - Visitado en: 01/06/13. ARCO WEB - Edificio Landmark : “http://www.arcoweb.com.br/arquitetura/botti-
rubin-arquitetos-edificio-comercial-12-02-2010.html” - Visitado 01/06/13. ARCO WEB - Centro Empresarial Itausa: “http://www.arcoweb.com.br/arquitetura/aflalo-gasperini-centro-empresarial-itausa.html” - Visitado 01/06/13. ARCO WEB – Centro Empresarial Rochaverá: “http://www.arcoweb.com.br/arquitetura/aflalo-amp-gasperini-arquitetos-premio-roberto-
08-01-2009.html” - Visitado 01/06/13. ARCO WEB - Edificio Banco Sul Americano: “http://chanelarquiteta.blogspot.com.es/2009/12/edificio-banco-sul-americano-do-
brasil.html” - Visitado 01/06/13. ATEM GREGORIO, Camila - La influencia de los distintos muros exteriores en el confort térmico de vivienda en un clima subtropical húmedo – Barcelona, 2012. ATLAS AMBIENTAL DO MUNICIPIO DE SÃO PAULO – Clima Urbano “ http://atlasambiental.prefeitura.sp.gov.br/pagina.php?id=21” – Jul/2013. BELMETAL – Placas de Alumínio Belmetal – www.belmetal.com.br – Jul/2013. BEN - Balanço Energético Nacional – “https://ben.epe.gov.br/default.aspx” - 2012
CALLEGARI, Simara - Análise do desempenho higro-térmico nas fachadas – estudo de caso – Florianópolis, 2005. CARTAS, J. F. N. – Simulação Dinâmica de um edifício de escritórios com os programas EnergyPlus e Trace 700. Disertação Máster – Universidade Técnica de Lisboa, 2011. CEBRACE – Catálogo de Vidros Cebrace – “www.cebrace.com.br/v2” - Jul/2013.
118
CHIHEB BOUDEN - Influence of glass curtain walls on the building thermal energy consumption under Tunisian climatic conditions: The case of administrative buildings – Tunis, 2006. DESIGN BUILDER - Design Builder Program Explanation – “http://www.designbuilder.co.uk/content/view/29/44/” – Jul/2013. EPE – Empresa de Pesquisa Energética: Pesquisa Energética Nacional 2011 -“http://www.epe.gov.br/Estudos/Paginas/default.aspx?CategoriaID=347” – 2011. ESCOLA VIRTUAL – Capacidade térmica aluminio y vidrio: “http://www.escolavirtual.pt/assets/conteudos/downloads/10fqa/tctmai.pdf” – Jul/2013. FERREIRA, Francéli – Desempenho Térmico em edificios de escritório na região central do Rio Grande do Sul – Santa Maria, RS – 2007. FIALHO, NOVELLI ROBERTO – Edifícios de Escritórios na cidade de São Paulo – São Paulo, 2007. GOMES, CESAR HENRIQUE DE GODOY - Análise dos níveis de conforto térmico em um edifício de escritórios na cidade de Maringá, Florianópolis, 2003. GONZÁLES CRUZ, E.M. - Selección de Materiales en la concepción arquitectónica bioclimática. Estudios de Arquitectura Bioclimática, México, 2002. GOULART, SOLANGE Y LAMBERTS, ROBERTO Y FIRMINO SAMANTA. Dados Climáticos para projeto e avaliação energética de edificações para cidades brasileiras, Florianópolis, 1998. GOUVEIA, Pedro Manuel Alves – Caracterização dos Impactos da Envolvente no Desempenho Térmico dos Edificios – Lisboa, 2008. GUTIERREZ, GRACE C.R. y LABAKI, LUCILA C. - Ensaio experimental para medição do fator solar de sistemas de aberturas - 2010. IAG USP – Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciencias da Universidade de São Paulo “http://www.estacao.iag.usp.br/Boletins/2010_vs2.pdf” – Jun/ 2013. IDAE – Instituto de la diversificación y ahorro de la energía - Guia técnica para rehabilitación de la envolvente térmica de los edificios – Soluciones de aislamento con vidrio y cerramientos – Madrid, 2007. INMET - Instituto nacional de Meteorologia – Gráficos de caracterização meteorológica de São Paulo - “http://www.inmet.gov.br/sim/gera_graficos.php” – Jun/2013. Ministério de Minas e Energía – Balanço Energético Nacional - “http://www.mme.gov.br/mme” – Jun/2013.
119
M.M.Q. Carvalho, E.L. La Rovere, A.C.M. Gonçalves - Analisis of variables that influence electric energy consumption in commercial buildings in Brazil – Rio de Janeiro, 2010 MORAES, FERNANDA INVERNISE y BRONKHORST, ALINE ELIZABETH - Edifícios altos e sua relação com a escala do pedestre – FAU USP, 1012. OLIVEIRA, A. C. y OROSA, J. A. – Energy saving with pasive climate control methods in Spain Office Buildings – A Coruña, Spain – 2008. PRECON INDUSTRIAL S.A - Calculo de propriedades de bloques de hormigon: “http://www.fec.unicamp.br/~damore/conforto27.swf” – Jul/2013. PRECON INDUSTRIAL S.A. – Avaliação do desempenho térmico do bloco de concreto celular para fachadas, para uso nas 8 zonas climáticas do Brasil – Brasilia, 2010. PROCEL - Manual de Conservação de Energia Elétrica em Prédios Comerciais e Públicos. - Rio de Janeiro, 1988.
QUITES, E. E.C. LIA, L. R. B. - Introdução à transferência de calor – “http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAPMcAB/apostila-transferencia-calor?part=13” – Jun/2013 ROBERTO TARIFA, JOSÉ Y ARMANI, GUSTAVO – “Atlas Ambiental do Municipio de São Paulo – Secretaria do Verde e do Meio Ambiente / Secretaria de Planejamento – Unidades Climáticas Urbanas da cidade de São Paulo”, 2000 RUEY-LUNG HWANG, SHIU-YA SHU - Building envelope regulations on thermal comfort in glass facade buildings and energy-saving potential for PMV-based comfort control – 2010.
SAINT GOBAIN – Vidrios Saint Gobain – “www.saintgobain.com.br” –15-06-13 SERRA FLORENSA, R. y COCH ROURA, H. - Arquitectura y Energía Natural – Barcelona, Edicions UPC, 1995.
TAVARES RESENDE, Laura - Eficiencia Energética en Edificações: Aplicação do RTQ-C – Requisitos Técnicos da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificios Comerciais, de Serviços e Públicos – Uberlândia, MG – 2011.
