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SIMULACION ENERGETICA DE EDIFICIO GUBERNAMENTAL EN LA
CIUDAD DE PACHUCA, HIDALGO (MEXICO)
CASO DE ESTUDIO
JULIO-AGOSTO 2019
M. ARQ. SUSANA GARCIA SAN ROMAN, LEED AP BD+C
SIMULACION ENERGETICA DE EDIFICIO
GUBERNAMENTAL EN PACHUCA, HIDALGO
M. ARQ. SUSANA GARCIA SAN ROMAN, LEED AP BD+C
FACHADA SUR
FACHADA NORTE
FACHADA OESTE
Este edificio de oficinas presenta problemas de sobrecalentamiento y una alta
demanda de energía para climatización.
La principal causa de este sobrecalentamiento es la superficie acristalada que
constituye gran parte de los cerramientos del edificio, así como la carencia de
ventanas operables o rejillas que posibiliten la ventilación natural.
A través del presente estudio de simulación energética por computadora se
pretenden cuantificar los flujos de calor entrantes y salientes en el edificio a través
de su envolvente para distintas horas de un año tipo, según el clima local.
El clima en la ciudad de Pachuca, debido a su altitud, de 2400 msnm, presenta
grandes oscilaciones entre el día y la noche. Las temperaturas exteriores máximas
no sobrepasan los 30°C de promedio.
Obtenido el balance energético de pérdidas y ganancias de calor, se pueden
detectar qué estrategias se podrían implementar para mejorar su comportamiento
térmico y reducir su demanda de energía para climatización.
Como característica destacable, tiene un atrio frontal acristalado orientado al
sureste.
PLANTA BAJA: VISTAS INTERIORES
CONEXIÓN ESPACIAL LOBBY-ATRIO SUR
CONEXIÓN ESPACIAL LOBBY- ACCESO NORTE
Desde el lobby central de acceso en
Planta Baja, se observa la conexión
espacial con el atrio acristalado.
Se modela la geometría 3D del edificio a partir
de plantillas DXF de las plantas.
FACHADA FRONTAL. ANGULO OESTE
FACHADA TRASERA. ANGULO ESTE
En el exterior, los elementos de sombreamiento sobre la
fachada (losas) se modelan como bloques de componente.
Se realiza un primer modelo detallado dividiendo el interior en varias zonas térmicas.
PUNTO DE PARTIDA: ESTADO ACTUAL. EDIFICIO HERMETICO
Se generan resultados preliminares
sobre un modelo simplificado.
GANANCIA DE CALOR EN ATRIO
Para un día típico de mayo, la ganancia
térmica en el atrio alcanza un pico de
250 KW a través de la superficie
acristalada, más 115 kW debido a la
radiación solar sobre la losa de techo
del casetón superior.
Las ganancias solares a través de las superficies acristaladas, a lo largo del mes de mayo (el más caluroso) superan
las ganancias internas de calor (por ocupación, iluminación y equipos)
En la planta de acceso (PB) hay ganancias de calor
también a través del techo. Tanto el suelo como las
superficies acristaladas ayudan a refrescar.
Después de las ganancias solares y las internas
(ocupación, equipos, iluminación), que son las
predominantes en el edificio, en la planta superior
(P4) hay ganancias de calor a través de la cubierta
durante las horas centrales del día. Durante las
horas nocturnas, tanto la cubierta como las
superficies acristaladas ayudan a refrescar.
Cuando en el exterior hay 27°C:
En la PB las temperaturas interiores suben hasta 38°C
En la P1 las temperaturas interiores suben hasta 41°C
En las P2-P3 y P4 las temperaturas interiores suben hasta 44°C
La evolución de las temperaturas interiores en relación con la temperatura exterior a lo largo del mes de mayo muestra un
claro problema de sobrecalentamiento debido a la ganancia solar a través de las superficies acristaladas herméticas, sin
apertura al exterior.
Se observa que en las horas
de sol, la T del aire es la que
más se eleva, esto es debido
al aporte de aire caliente
procedente del invernadero,
más que a la radiación solar
directa. La curva roja, que es
la Temperatura Media
Radiante se mantiene más
constante, es decir, la masa
térmica está actuando como
estabilizadora de la
temperatura operativa. Hay
potencial de llevar más allá
este efecto, mediante el
enfriamiento nocturno de
esta masa térmica (opción
4)
Evolución de las temperaturas interiores en PB en relación con la temperatura exterior a lo largo de un día tipo del mes de
mayo.
En la planta alta (P4) la
temperatura del aire se
eleva aún más, hasta 3
grados por encima de la
temperatura media
radiante, y hasta 17 grados
por encima de la
temperatura exterior,
mostrando el grave
sobrecalentamiento en el
edificio.
Evolución de las temperaturas interiores en P4 en relación con la temperatura exterior a lo largo de un día tipo del mes de
mayo.
ANALISIS CFD (MOVIMIENTO DE AIRE POR EL INTERIOR)
FLUJO DE AIRE Y TRANSMISION DE CALOR ENTRE EL ATRIO Y EL EDIFICIO.
El flujo de aire alcanza hasta 600 L/s por cada una de las 2 aberturas interiores del nivel P4. Es un flujo de aire caliente. El
atrio está proporcionando calor al edificio desde las 9 am hasta las 6 pm, alcanzando un pico de 18 kw de potencia
calorífica a la 1 pm trasmitida a través de la partición interior. Durante las horas nocturnas contribuye al enfriamiento
con una potencia de hasta 7 kW.
OPCION 2 ATRIO CON SALIDA DE AIRE SUPERIOR. Dotar al atrio de salida de aire superior directa al exterior con un total
de 28m2 de rejillas permanentemente abiertas, en la orientación Sur
OPCION 2 SALIDA DE AIRE SUPERIOR ATRIO
Simplemente abriendo rejillas en el casetón superior del atrio, se logra un caudal de aire saliente de 2500 L/s y
una potencia de enfriamiento diaria (disipación del calor generado en el atrio) de hasta 160 kW
OPCION 2 SALIDA DE AIRE SUPERIOR ATRIO
La dinámica de fluidos muestra que hay una ligera mejoría del ambiente
térmico en el atrio, debido a la salida superior de aire caliente.
OPCION 2 SALIDA DE AIRE SUPERIOR ATRIO
Se mejoran ligeramente los resultados, pero sigue habiendo un claro problema de sobrecalentamiento al interior del
edificio, debido a la falta de aire exterior a través de ventanas en las áreas de oficinas y zonas comunes.
OPCION 2B INCREMENTO SALIDA AIRE SUPERIOR
Se añade una rejilla adicional superior en el atrio,
orientada al norte con el fin de aumentar el flujo de
aire.
OPCION 2B INCREMENTO SALIDA AIRE SUPERIOR EN ATRIO
REJILLAS SUPERIORES EN ATRIO, ORIENTADAS AL SUR.
FLUJO DE AIRE
REJILLAS SUPERIORES EN ATRIO, ORIENTADAS AL NORTE.
FLUJO DE AIRE
El flujo de aire a través de las rejillas superiores dispuestas en el atrio alcanzan caudales de hasta los 40 m3/s.
Esta salida de aire caliente al exterior origina un tiro térmico que puede aprovecharse para mejorar las condiciones
térmicas en el área de oficinas.
OPCION 2B INCREMENTO SALIDA AIRE SUPERIOR
En los resultados del análisis CFD, se observa que si el atrio se ventila y el resto del edificio permanece cerrado, el atrio
sirve como elemento refrescante, que aporta aire más fresco al resto de espacios.
OPCION 3 OFICINAS P4 CON VENTANAS OPERABLES AL EXTERIOR y atrio con salida de aire superior directa al exterior
(Apertura solo en horario de oficina, 20% área apertura), sin protección solar en ventanas.
Ventilando las oficinas de P4 se logra reducir la temperatura del aire interior por debajo de los 30°, igualándola
casi con la temperatura exterior. Con esto prácticamente se elimina el problema de sobrecalentamiento, a falta de
reducir las ganancias solares para bajar la temperatura media radiante (TMR), que es la curva roja.
OPCION 3B OFICINAS P4 CON VENTANAS OPERABLES AL EXTERIOR y atrio con salida de aire superior directa al exterior.
Ventanas siempre abiertas con caudal de aire aumentado (ON 24h/7d, 40% área apertura), con protección solar en
ventanas (persianas enrollables exteriores que bajan cuando radiación solar llega a 120 W/m2).
Con el uso de persianas exteriores en las ventanas de las oficinas se logra reducir las ganancias solares significativamente.
OPCION 3B OFICINAS P4 CON VENTANAS OPERABLES AL EXTERIOR Y PERSIANAS EXTERIORES EN VENTANAS DE
OFICINAS
La temperatura del aire al interior se logra igualar prácticamente con la temperatura del aire exterior, hasta el pico máximo
de 28°C. Sólo la temperatura media radiante (TMR) sigue estando elevada (33°C) en las horas centrales del día, afectando la
temperatura operativa y por consiguiente la sensación térmica de los ocupantes. Sería necesario implementar acciones para
reducir la TMR al interior.
GANANCIAS DE CALOR POR PISO DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES
El piso muestra temperatura superficial alta todo el día, entorno a 30°C, que produce el efecto de calefacción radiante a
los ocupantes. En particular a las 9-10 de la noche la potencia emisora de calor del piso debido a su calentamiento es de
40 w/m2. Es predecible que una vez que se homogeneice la temperatura ambiental de todas las plantas, los forjados sean
adiabáticos.
GANANCIAS DE CALOR POR TECHO DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES
La temperatura superficial exterior de la cubierta alcanza los 60°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por
el techo es a esa misma hora, y alcanza 1000 w/m2
GANANCIAS DE CALOR POR MURO NORTE PISO DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES
La temperatura superficial exterior del muro norte supera los 30°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por
el muro norte es a esa misma hora, y alcanza 250 w/m2
GANANCIAS DE CALOR POR MURO SUR DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES .
La temperatura superficial exterior del muro sur alcanza los 33°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por el
muro sur es a esa misma hora, y alcanza 280 w/m2
GANANCIAS DE CALOR POR MURO ESTE DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES
La temperatura superficial exterior del muro este alcanza los 33°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por
el muro este es a esa misma hora, y alcanza 280 w/m2
GANANCIAS DE CALOR POR MURO OESTE DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES
La temperatura superficial exterior del muro oeste alcanza los 38°C a las 3 de la tarde. EL pico de ganancia solar
por el muro oeste es a esa misma hora, y alcanza 480 w/m2
RECOMENDACIONES
Es necesario reducir la TMR al interior para mejorar la sensación térmica. Las principales fuentes de calentamiento
son la cubierta, que afecta a la planta superior(P4) y la fachada oeste. El calentamiento de la cubierta proporciona
una potencia de calor de hasta 1000 W/m2 a la 1 pm. La fachada oeste proporciona casi 500 W/m2 de calor.
Se recomienda una doble piel, o fachada ventilada en la fachada poniente. Y para reducir temperatura de cubierta:
usar un impermeabilizante de un color claro muy reflectante (“cool roof”) o sombrear y aislar térmicamente la
cubierta mediante una capar de aislamiento térmico de al menos 5 cm.
SOLO VENTILACION DIURNA
SOLO VENTILACION DIURNA . RESULTADOS PARA UN DIA DE MAYO
En una semana tipo de
mayo (el mes mas cálido en
Pachuca) el pico de la tasa
de renovación de aire por
VN varia entre 15 y algo
más de 30 renovaciones por
hora en PB. Estos caudales
de aire exterior tienen un
potencial de enfriamiento
del interior de hasta 20 kW.
Las ganancias solares pico
en el edificio varían entre
20 y 25 kW. Es decir, que
prácticamente el efecto de
refrescamiento pasivo de la
VN se destina a neutralizar
el efecto de calentamiento
solar a través de las
superficies acristaladas.
Si se limitaran estas ganancias solares mediante los elementos de sombreamiento
adecuados, se podría compensar las ganancias de calor internas (computadoras,
iluminación) con la VN, y lograr un acondicionamiento térmico pasivo más efectivo.
SOLO VENTILACION DIURNA
PLANTA ALTA
PLANTA BAJA
En P4 la temperatura del aire interior se iguala a la exterior,
eliminando parcialmente el problema de sobrecalentamiento.
Solo la TMR (curva roja) permanece mas elevada. Esto se debe
al calentamiento de las superficies constructivas. Una solución
muy efectiva y eficiente para mejorar la temperatura operativa
y la sensación térmica de los ocupantes es instalar una red
capilar embebida en la masa térmica (losas) por la que hacer
circular agua fría (FRIO RADIANTE).
En PB la temperatura del aire no logra igualarse a la exterior,
permaneciendo ligeramente mas alta. Esto es porque se
requieren caudales de ventilación mas altos, o superficie de
ventanas operables o rejillas mayor a la actual en PB. Solo los
domingos la temperatura interior se iguala a la exterior, quizás
por la ausencia e ocupación y de ganancias de calor internas.
VENTILACION NOCTURNA. Enfriamiento nocturno de la masa térmica (Forjados de losa colaborante de concreto espesor
medio 20 cm. ) y ventilación diurna controlada para evitar entrada de aire caliente (OFF cuando T ext sea mayor que la T int,
Δt=0).
Con la ventilación nocturna se
logran enfriar las superficies y
reducir el pico de TMR durante
el día, mejorando la
temperatura operativa y la
sensación térmica, que ya no
supera la temperatura exterior
salvo casos excepcionales.
Permitiendo la Ventilación Nocturna se elimina el problema de sobrecalentamiento de superficies que estaba afectando
negativamente la sensación térmica de los ocupantes.
VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS
Con Ventilación Nocturna y sombreado de huecos (persianas exteriores bajadas de forma automática cuando
radiación solar incidente supera los 120 w/m2) se logra eliminar el problema de sobrecalentamiento y las
temperaturas interiores pasan a estar por debajo de las exteriores en las horas centrales del día. Es decir, el edificio
se mantiene fresco.
PLANTA BAJA
PLANTA TERCERA
Con Ventilación Nocturna y sombreado de huecos, el edificio se mantiene fresco en
todas las plantas (PB-P3) no conectadas con el atrio.
VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS
PLANTA ALTA
Solo en planta alta P4, la TMR se eleva en las horas centrales del día. Esto puede deberse al efecto de
calentamiento de la cubierta.
VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS
VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS
Los resultados del Balance Térmico confirman que el calentamiento de la cubierta proporciona una carga térmica de entre 20
y 40 kW a la planta P4. Además se observa que el intercambio de calor entre P4 y atrio es mínimo, no proporciona ni perdidas
ni ganancias de calor.
Este análisis CFD se realizó con
las plantas P1, P2 y P3 ventiladas
hacia el exterior y la P4
ventilando a través del atrio. Se
observa el atrio como elemento
refrescante de la P4.
VARIANTES
CONEXIÓN CON ATRIO A TRAVES DE VENTANAS INTERIORES EN PLANTA ALTA
Hay un caudal de aire a través de estas
ventanas que conectan P4 y atrio de mas de
4000 l/s.
El efecto beneficioso de esta conexión es incrementar la VN y el
movimiento de aire al interior del edificio. El análisis CFD
muestra el efecto refrescante de la conexión de la P4 con el
atrio
.
CONEXIÓN CON ATRIO A TRAVES DE VENTANAS INTERIORES EN PLANTA BAJA
En la PB se observa la contribución del atrio como elemento que ayuda al enfriamiento (pequeños picos
hacia abajo –pérdidas de calor- por ventilación interior (a través de las rejillas que conectan con el atrio)
BALANCE TERMICO DE ATRIO PARA UNA SEMANA TIPO DE MAYO
Aunque oscila a distintas horas de cada día,
debido a la variación de temperatura exterior y
de radiación solar incidente sobre la superficie
acristalada, se observa que a lo largo de una
semana de mayo tomada como ejemplo, hay
más perdidas que ganancias de calor, ya sea
por conducción a través de la partición interior
ya sea por intercambio de aire a través de las
rejillas. Este calor perdido en el atrio, es calor
ganando en las oficinas y alcanza picos de casi
35 kW por conducción a través de las
superficies que separan el atrio de las oficinas,
y de 20 kW por ventilación interior, a través de
las rejillas dispuestas entre las oficinas y el
atrio.
Se deduce que aunque el atrio tiene efectos positivos en cuanto a potencial la ventilación natural y refrescamiento de las
oficinas, por el tiro térmico que se genera debido al efecto invernadero, sus efectos negativos colaterales son el aporte de calor
a las oficinas, por transmisión y por intercambio de aire.
Se recomienda reducir la ganancia solar en el atrio, ya sea con elementos de sombreamiento, una doble piel o cubierta
acristalada ventilada, que podría ser vidrio fotovoltaico con el fin de aprovechar su gran exposición a la radiación solar para
generar energía eléctrica de origen renovable y compensar parte de las emisiones de gases efecto invernadero.
BALANCE TERMICO DE ATRIO PARA UN DIA TIPO DE MAYO
Nos centramos en el 14 de mayo. Vemos que el atrio pierde calor a través de la ventilación interior alrededor de las 12
pm del mediodía, entorno a 17 kW, que es calor que gana el área de oficinas. En cambio por la mañana gana calor (se
lo roba a las oficinas), en torno a las 8-9 AM, son unos 4 kW.
VARIANTES
SOLO PB CONECTADA MEDIANTE REJILLAS
ABIERTAS CON ATRIO
BALANCE TERMICO EN PB PARA UN DIA TIPO DE MAYO
Un día tipo de mayo, a las 6 pm, la ventilación interior
logra una potencia de enfriamiento de 3.5 kW
A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta PB y atrio, el
caudal de aire entrante es mas o menos constante entorno a
2000 L/s, excepto entre 4 y 8 pm, que salen unos 4500 L/s de
aire viciado hacia el atrio.
CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN
ENTRE PB Y ATRIO
POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO DEL ATRIO EN PLANTA BAJA
A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P1 y
atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos
constante entorno a 2000 L/s, excepto sobre las 5
pm, que salen unos 500 L/s de aire viciado hacia el
atrio.
CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN
ENTRE P1 Y ATRIO
A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P2 y
atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos
constante entorno a 1500 L/s, excepto sobre las 9
pm, que salen unos 200 L/s de aire viciado hacia el
atrio.
CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN
ENTRE P2 Y ATRIO
POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO DEL ATRIO EN PLANTAS 1 Y 2
A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P3 y
atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos
constante entorno a 1000 L/s, excepto sobre las 10
pm, que salen unos 800 L/s de aire viciado hacia el
atrio.
A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P4 y
atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos
constante entorno a 500 L/s, excepto en algunos
momentos del día, como a las 6 AM en que salen
unos 700 L/s hacia el atrio, sobre las 3 pm, que salen
unos 400 L/s de aire y a partir de las 8 pm, que llegan
a salir 1200 L/s
CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN
ENTRE P4 Y ATRIO
CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN
ENTRE P3 Y ATRIO
POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO DEL ATRIO EN PLANTAS 3 Y 4
VARIANTES
SOLO P2 CONECTADA MEDIANTE REJILLAS ABIERTAS CON ATRIO. ANALISIS CFD PARA EL 17 MAYO A LAS 4 AM
CAUDAL DE AIRE ENTRANTE Y SALIENTE A TRAVES
DE REJILLA EN SEGUNDA PLANTA QUE CONECTA
CON ATRIO
Se observa que a distintas alturas la presión de l aire
cambia, y con ello su movimiento, velocidad y
temperatura.
PB entra aire fresco del
atrio a la PB
P1 no se aprecia intercambio de
aire con el atrio.
P2. Sale el aire hacia el atrio, en
sentido descendente.
P3. Sale el aire hacia el atrio, en
sentido ascendente.
P4. Sale el aire hacia el atrio, en
sentido ascendente.
RESULTADOS CFD PARA 17 MAY 4 AM
P2: FLUJO SALIENTE, CORRESPONDE AL CAUDAL 4 m3/s (16 MAY 3 AM)
A distintas horas del día, los factores
que afectan la temperatura del aire
cambian, y con ello su presión,
velocidad y dirección.
VARIANTES
P2: FLUJO DE AIRE CORRESPONDIENTE AL CAUDAL 3.5 m3/s (16 MAY 1 PM)
A distintas horas del día, los factores
que afectan la temperatura del aire
cambian, y con ello su presión,
velocidad y dirección.
VARIANTES
RESUMEN DE LAS MEJORAS PROPUESTAS IMPLEMENTADAS EN LA SIMULACION
1. Doble salida de aire superior en Atrio (norte-sur)
2. Ventanas operables al exterior en Oficinas y Zonas Comunes (40% área apertura). Horario de apertura: sólo cuando la
temperatura interior sobrepasa la exterior. Permitir hiperventilación nocturna para enfriamiento de masa térmica y bajar
la TMR durante horas de calor (acumulación de frío y emisión de frío radiante)
3. Persianas exteriores en ventanas de oficinas. Horario de uso: bajan cuando la radiación solar incidente llega a 120 w/m2
4. Conexión Oficinas-Atrio controlada a través de rejillas a ras del techo en cada planta
OTRAS RECOMENDACIONES BASADAS EN LOS RESULTADOS
1. Incrementar caudal de ventilación natural en PB (mas superficie de ventana operable y/o rejillas abiertas)
2. Disponer una doble piel o fachada ventilada en la fachada poniente con el fin de reducir la TMR al interior de las oficinas
3. Usar un impermeabilizante de un color claro muy reflectante (“cool roof”) o sombrear y aislar térmicamente la cubierta
mediante una capar de aislamiento térmico de al menos 5 cm para reducir temperatura de cubierta y la TMR interior en
P4
4. Instalar una red capilar embebida en la masa térmica (losas) por la que hacer circular agua fría (FRIO RADIANTE) para
mejorar la temperatura operativa y la sensación térmica de los ocupantes.
5. Se recomienda reducir la ganancia solar en el atrio, ya sea con elementos de sombreamiento, una doble piel o cubierta
acristalada ventilada, que podría ser vidrio fotovoltaico con el fin de aprovechar su gran exposición a la radiación solar
para generar energía eléctrica de origen renovable y compensar parte de las emisiones de gases efecto invernadero.
En Tequisquiapan, Querétaro, México, a 12 de Agosto de 2019
susana garcia san roman
Arq. Susana García San Román, LEED AP BD+C
Consultora Energética
sgsr@estein.com

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Simulacion energetica edificio con atrio acristalado

  • 1. SIMULACION ENERGETICA DE EDIFICIO GUBERNAMENTAL EN LA CIUDAD DE PACHUCA, HIDALGO (MEXICO) CASO DE ESTUDIO JULIO-AGOSTO 2019 M. ARQ. SUSANA GARCIA SAN ROMAN, LEED AP BD+C
  • 2. SIMULACION ENERGETICA DE EDIFICIO GUBERNAMENTAL EN PACHUCA, HIDALGO M. ARQ. SUSANA GARCIA SAN ROMAN, LEED AP BD+C FACHADA SUR FACHADA NORTE FACHADA OESTE Este edificio de oficinas presenta problemas de sobrecalentamiento y una alta demanda de energía para climatización. La principal causa de este sobrecalentamiento es la superficie acristalada que constituye gran parte de los cerramientos del edificio, así como la carencia de ventanas operables o rejillas que posibiliten la ventilación natural. A través del presente estudio de simulación energética por computadora se pretenden cuantificar los flujos de calor entrantes y salientes en el edificio a través de su envolvente para distintas horas de un año tipo, según el clima local. El clima en la ciudad de Pachuca, debido a su altitud, de 2400 msnm, presenta grandes oscilaciones entre el día y la noche. Las temperaturas exteriores máximas no sobrepasan los 30°C de promedio. Obtenido el balance energético de pérdidas y ganancias de calor, se pueden detectar qué estrategias se podrían implementar para mejorar su comportamiento térmico y reducir su demanda de energía para climatización. Como característica destacable, tiene un atrio frontal acristalado orientado al sureste.
  • 3. PLANTA BAJA: VISTAS INTERIORES CONEXIÓN ESPACIAL LOBBY-ATRIO SUR CONEXIÓN ESPACIAL LOBBY- ACCESO NORTE Desde el lobby central de acceso en Planta Baja, se observa la conexión espacial con el atrio acristalado.
  • 4. Se modela la geometría 3D del edificio a partir de plantillas DXF de las plantas. FACHADA FRONTAL. ANGULO OESTE FACHADA TRASERA. ANGULO ESTE
  • 5. En el exterior, los elementos de sombreamiento sobre la fachada (losas) se modelan como bloques de componente.
  • 6. Se realiza un primer modelo detallado dividiendo el interior en varias zonas térmicas.
  • 7. PUNTO DE PARTIDA: ESTADO ACTUAL. EDIFICIO HERMETICO Se generan resultados preliminares sobre un modelo simplificado. GANANCIA DE CALOR EN ATRIO Para un día típico de mayo, la ganancia térmica en el atrio alcanza un pico de 250 KW a través de la superficie acristalada, más 115 kW debido a la radiación solar sobre la losa de techo del casetón superior.
  • 8. Las ganancias solares a través de las superficies acristaladas, a lo largo del mes de mayo (el más caluroso) superan las ganancias internas de calor (por ocupación, iluminación y equipos)
  • 9. En la planta de acceso (PB) hay ganancias de calor también a través del techo. Tanto el suelo como las superficies acristaladas ayudan a refrescar. Después de las ganancias solares y las internas (ocupación, equipos, iluminación), que son las predominantes en el edificio, en la planta superior (P4) hay ganancias de calor a través de la cubierta durante las horas centrales del día. Durante las horas nocturnas, tanto la cubierta como las superficies acristaladas ayudan a refrescar.
  • 10. Cuando en el exterior hay 27°C: En la PB las temperaturas interiores suben hasta 38°C En la P1 las temperaturas interiores suben hasta 41°C En las P2-P3 y P4 las temperaturas interiores suben hasta 44°C La evolución de las temperaturas interiores en relación con la temperatura exterior a lo largo del mes de mayo muestra un claro problema de sobrecalentamiento debido a la ganancia solar a través de las superficies acristaladas herméticas, sin apertura al exterior.
  • 11. Se observa que en las horas de sol, la T del aire es la que más se eleva, esto es debido al aporte de aire caliente procedente del invernadero, más que a la radiación solar directa. La curva roja, que es la Temperatura Media Radiante se mantiene más constante, es decir, la masa térmica está actuando como estabilizadora de la temperatura operativa. Hay potencial de llevar más allá este efecto, mediante el enfriamiento nocturno de esta masa térmica (opción 4) Evolución de las temperaturas interiores en PB en relación con la temperatura exterior a lo largo de un día tipo del mes de mayo.
  • 12. En la planta alta (P4) la temperatura del aire se eleva aún más, hasta 3 grados por encima de la temperatura media radiante, y hasta 17 grados por encima de la temperatura exterior, mostrando el grave sobrecalentamiento en el edificio. Evolución de las temperaturas interiores en P4 en relación con la temperatura exterior a lo largo de un día tipo del mes de mayo.
  • 13. ANALISIS CFD (MOVIMIENTO DE AIRE POR EL INTERIOR) FLUJO DE AIRE Y TRANSMISION DE CALOR ENTRE EL ATRIO Y EL EDIFICIO. El flujo de aire alcanza hasta 600 L/s por cada una de las 2 aberturas interiores del nivel P4. Es un flujo de aire caliente. El atrio está proporcionando calor al edificio desde las 9 am hasta las 6 pm, alcanzando un pico de 18 kw de potencia calorífica a la 1 pm trasmitida a través de la partición interior. Durante las horas nocturnas contribuye al enfriamiento con una potencia de hasta 7 kW.
  • 14. OPCION 2 ATRIO CON SALIDA DE AIRE SUPERIOR. Dotar al atrio de salida de aire superior directa al exterior con un total de 28m2 de rejillas permanentemente abiertas, en la orientación Sur
  • 15. OPCION 2 SALIDA DE AIRE SUPERIOR ATRIO Simplemente abriendo rejillas en el casetón superior del atrio, se logra un caudal de aire saliente de 2500 L/s y una potencia de enfriamiento diaria (disipación del calor generado en el atrio) de hasta 160 kW
  • 16. OPCION 2 SALIDA DE AIRE SUPERIOR ATRIO La dinámica de fluidos muestra que hay una ligera mejoría del ambiente térmico en el atrio, debido a la salida superior de aire caliente.
  • 17. OPCION 2 SALIDA DE AIRE SUPERIOR ATRIO Se mejoran ligeramente los resultados, pero sigue habiendo un claro problema de sobrecalentamiento al interior del edificio, debido a la falta de aire exterior a través de ventanas en las áreas de oficinas y zonas comunes.
  • 18. OPCION 2B INCREMENTO SALIDA AIRE SUPERIOR Se añade una rejilla adicional superior en el atrio, orientada al norte con el fin de aumentar el flujo de aire.
  • 19. OPCION 2B INCREMENTO SALIDA AIRE SUPERIOR EN ATRIO REJILLAS SUPERIORES EN ATRIO, ORIENTADAS AL SUR. FLUJO DE AIRE REJILLAS SUPERIORES EN ATRIO, ORIENTADAS AL NORTE. FLUJO DE AIRE El flujo de aire a través de las rejillas superiores dispuestas en el atrio alcanzan caudales de hasta los 40 m3/s. Esta salida de aire caliente al exterior origina un tiro térmico que puede aprovecharse para mejorar las condiciones térmicas en el área de oficinas.
  • 20. OPCION 2B INCREMENTO SALIDA AIRE SUPERIOR En los resultados del análisis CFD, se observa que si el atrio se ventila y el resto del edificio permanece cerrado, el atrio sirve como elemento refrescante, que aporta aire más fresco al resto de espacios.
  • 21. OPCION 3 OFICINAS P4 CON VENTANAS OPERABLES AL EXTERIOR y atrio con salida de aire superior directa al exterior (Apertura solo en horario de oficina, 20% área apertura), sin protección solar en ventanas. Ventilando las oficinas de P4 se logra reducir la temperatura del aire interior por debajo de los 30°, igualándola casi con la temperatura exterior. Con esto prácticamente se elimina el problema de sobrecalentamiento, a falta de reducir las ganancias solares para bajar la temperatura media radiante (TMR), que es la curva roja.
  • 22. OPCION 3B OFICINAS P4 CON VENTANAS OPERABLES AL EXTERIOR y atrio con salida de aire superior directa al exterior. Ventanas siempre abiertas con caudal de aire aumentado (ON 24h/7d, 40% área apertura), con protección solar en ventanas (persianas enrollables exteriores que bajan cuando radiación solar llega a 120 W/m2). Con el uso de persianas exteriores en las ventanas de las oficinas se logra reducir las ganancias solares significativamente.
  • 23. OPCION 3B OFICINAS P4 CON VENTANAS OPERABLES AL EXTERIOR Y PERSIANAS EXTERIORES EN VENTANAS DE OFICINAS La temperatura del aire al interior se logra igualar prácticamente con la temperatura del aire exterior, hasta el pico máximo de 28°C. Sólo la temperatura media radiante (TMR) sigue estando elevada (33°C) en las horas centrales del día, afectando la temperatura operativa y por consiguiente la sensación térmica de los ocupantes. Sería necesario implementar acciones para reducir la TMR al interior.
  • 24. GANANCIAS DE CALOR POR PISO DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES El piso muestra temperatura superficial alta todo el día, entorno a 30°C, que produce el efecto de calefacción radiante a los ocupantes. En particular a las 9-10 de la noche la potencia emisora de calor del piso debido a su calentamiento es de 40 w/m2. Es predecible que una vez que se homogeneice la temperatura ambiental de todas las plantas, los forjados sean adiabáticos.
  • 25. GANANCIAS DE CALOR POR TECHO DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES La temperatura superficial exterior de la cubierta alcanza los 60°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por el techo es a esa misma hora, y alcanza 1000 w/m2
  • 26. GANANCIAS DE CALOR POR MURO NORTE PISO DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES La temperatura superficial exterior del muro norte supera los 30°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por el muro norte es a esa misma hora, y alcanza 250 w/m2
  • 27. GANANCIAS DE CALOR POR MURO SUR DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES . La temperatura superficial exterior del muro sur alcanza los 33°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por el muro sur es a esa misma hora, y alcanza 280 w/m2
  • 28. GANANCIAS DE CALOR POR MURO ESTE DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES La temperatura superficial exterior del muro este alcanza los 33°C a la 1 de la tarde. EL pico de ganancia solar por el muro este es a esa misma hora, y alcanza 280 w/m2
  • 29. GANANCIAS DE CALOR POR MURO OESTE DE PLANTA ALTA (P4) Y TEMPERATURAS SUPERFICIALES La temperatura superficial exterior del muro oeste alcanza los 38°C a las 3 de la tarde. EL pico de ganancia solar por el muro oeste es a esa misma hora, y alcanza 480 w/m2
  • 30. RECOMENDACIONES Es necesario reducir la TMR al interior para mejorar la sensación térmica. Las principales fuentes de calentamiento son la cubierta, que afecta a la planta superior(P4) y la fachada oeste. El calentamiento de la cubierta proporciona una potencia de calor de hasta 1000 W/m2 a la 1 pm. La fachada oeste proporciona casi 500 W/m2 de calor. Se recomienda una doble piel, o fachada ventilada en la fachada poniente. Y para reducir temperatura de cubierta: usar un impermeabilizante de un color claro muy reflectante (“cool roof”) o sombrear y aislar térmicamente la cubierta mediante una capar de aislamiento térmico de al menos 5 cm.
  • 32. SOLO VENTILACION DIURNA . RESULTADOS PARA UN DIA DE MAYO En una semana tipo de mayo (el mes mas cálido en Pachuca) el pico de la tasa de renovación de aire por VN varia entre 15 y algo más de 30 renovaciones por hora en PB. Estos caudales de aire exterior tienen un potencial de enfriamiento del interior de hasta 20 kW. Las ganancias solares pico en el edificio varían entre 20 y 25 kW. Es decir, que prácticamente el efecto de refrescamiento pasivo de la VN se destina a neutralizar el efecto de calentamiento solar a través de las superficies acristaladas. Si se limitaran estas ganancias solares mediante los elementos de sombreamiento adecuados, se podría compensar las ganancias de calor internas (computadoras, iluminación) con la VN, y lograr un acondicionamiento térmico pasivo más efectivo.
  • 33. SOLO VENTILACION DIURNA PLANTA ALTA PLANTA BAJA En P4 la temperatura del aire interior se iguala a la exterior, eliminando parcialmente el problema de sobrecalentamiento. Solo la TMR (curva roja) permanece mas elevada. Esto se debe al calentamiento de las superficies constructivas. Una solución muy efectiva y eficiente para mejorar la temperatura operativa y la sensación térmica de los ocupantes es instalar una red capilar embebida en la masa térmica (losas) por la que hacer circular agua fría (FRIO RADIANTE). En PB la temperatura del aire no logra igualarse a la exterior, permaneciendo ligeramente mas alta. Esto es porque se requieren caudales de ventilación mas altos, o superficie de ventanas operables o rejillas mayor a la actual en PB. Solo los domingos la temperatura interior se iguala a la exterior, quizás por la ausencia e ocupación y de ganancias de calor internas.
  • 34. VENTILACION NOCTURNA. Enfriamiento nocturno de la masa térmica (Forjados de losa colaborante de concreto espesor medio 20 cm. ) y ventilación diurna controlada para evitar entrada de aire caliente (OFF cuando T ext sea mayor que la T int, Δt=0). Con la ventilación nocturna se logran enfriar las superficies y reducir el pico de TMR durante el día, mejorando la temperatura operativa y la sensación térmica, que ya no supera la temperatura exterior salvo casos excepcionales. Permitiendo la Ventilación Nocturna se elimina el problema de sobrecalentamiento de superficies que estaba afectando negativamente la sensación térmica de los ocupantes.
  • 35. VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS Con Ventilación Nocturna y sombreado de huecos (persianas exteriores bajadas de forma automática cuando radiación solar incidente supera los 120 w/m2) se logra eliminar el problema de sobrecalentamiento y las temperaturas interiores pasan a estar por debajo de las exteriores en las horas centrales del día. Es decir, el edificio se mantiene fresco. PLANTA BAJA
  • 36. PLANTA TERCERA Con Ventilación Nocturna y sombreado de huecos, el edificio se mantiene fresco en todas las plantas (PB-P3) no conectadas con el atrio. VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS
  • 37. PLANTA ALTA Solo en planta alta P4, la TMR se eleva en las horas centrales del día. Esto puede deberse al efecto de calentamiento de la cubierta. VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS
  • 38. VENTILACION NOCTURNA Y PROTECCIONES SOLARES EXTERIORES EN VENTANAS Los resultados del Balance Térmico confirman que el calentamiento de la cubierta proporciona una carga térmica de entre 20 y 40 kW a la planta P4. Además se observa que el intercambio de calor entre P4 y atrio es mínimo, no proporciona ni perdidas ni ganancias de calor.
  • 39. Este análisis CFD se realizó con las plantas P1, P2 y P3 ventiladas hacia el exterior y la P4 ventilando a través del atrio. Se observa el atrio como elemento refrescante de la P4. VARIANTES
  • 40. CONEXIÓN CON ATRIO A TRAVES DE VENTANAS INTERIORES EN PLANTA ALTA Hay un caudal de aire a través de estas ventanas que conectan P4 y atrio de mas de 4000 l/s. El efecto beneficioso de esta conexión es incrementar la VN y el movimiento de aire al interior del edificio. El análisis CFD muestra el efecto refrescante de la conexión de la P4 con el atrio .
  • 41. CONEXIÓN CON ATRIO A TRAVES DE VENTANAS INTERIORES EN PLANTA BAJA En la PB se observa la contribución del atrio como elemento que ayuda al enfriamiento (pequeños picos hacia abajo –pérdidas de calor- por ventilación interior (a través de las rejillas que conectan con el atrio)
  • 42. BALANCE TERMICO DE ATRIO PARA UNA SEMANA TIPO DE MAYO Aunque oscila a distintas horas de cada día, debido a la variación de temperatura exterior y de radiación solar incidente sobre la superficie acristalada, se observa que a lo largo de una semana de mayo tomada como ejemplo, hay más perdidas que ganancias de calor, ya sea por conducción a través de la partición interior ya sea por intercambio de aire a través de las rejillas. Este calor perdido en el atrio, es calor ganando en las oficinas y alcanza picos de casi 35 kW por conducción a través de las superficies que separan el atrio de las oficinas, y de 20 kW por ventilación interior, a través de las rejillas dispuestas entre las oficinas y el atrio. Se deduce que aunque el atrio tiene efectos positivos en cuanto a potencial la ventilación natural y refrescamiento de las oficinas, por el tiro térmico que se genera debido al efecto invernadero, sus efectos negativos colaterales son el aporte de calor a las oficinas, por transmisión y por intercambio de aire. Se recomienda reducir la ganancia solar en el atrio, ya sea con elementos de sombreamiento, una doble piel o cubierta acristalada ventilada, que podría ser vidrio fotovoltaico con el fin de aprovechar su gran exposición a la radiación solar para generar energía eléctrica de origen renovable y compensar parte de las emisiones de gases efecto invernadero.
  • 43. BALANCE TERMICO DE ATRIO PARA UN DIA TIPO DE MAYO Nos centramos en el 14 de mayo. Vemos que el atrio pierde calor a través de la ventilación interior alrededor de las 12 pm del mediodía, entorno a 17 kW, que es calor que gana el área de oficinas. En cambio por la mañana gana calor (se lo roba a las oficinas), en torno a las 8-9 AM, son unos 4 kW.
  • 44. VARIANTES SOLO PB CONECTADA MEDIANTE REJILLAS ABIERTAS CON ATRIO
  • 45. BALANCE TERMICO EN PB PARA UN DIA TIPO DE MAYO Un día tipo de mayo, a las 6 pm, la ventilación interior logra una potencia de enfriamiento de 3.5 kW A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta PB y atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos constante entorno a 2000 L/s, excepto entre 4 y 8 pm, que salen unos 4500 L/s de aire viciado hacia el atrio. CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN ENTRE PB Y ATRIO POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO DEL ATRIO EN PLANTA BAJA
  • 46. A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P1 y atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos constante entorno a 2000 L/s, excepto sobre las 5 pm, que salen unos 500 L/s de aire viciado hacia el atrio. CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN ENTRE P1 Y ATRIO A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P2 y atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos constante entorno a 1500 L/s, excepto sobre las 9 pm, que salen unos 200 L/s de aire viciado hacia el atrio. CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN ENTRE P2 Y ATRIO POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO DEL ATRIO EN PLANTAS 1 Y 2
  • 47. A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P3 y atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos constante entorno a 1000 L/s, excepto sobre las 10 pm, que salen unos 800 L/s de aire viciado hacia el atrio. A través de la rejilla de casi 5 m2 que conecta P4 y atrio, el caudal de aire entrante es mas o menos constante entorno a 500 L/s, excepto en algunos momentos del día, como a las 6 AM en que salen unos 700 L/s hacia el atrio, sobre las 3 pm, que salen unos 400 L/s de aire y a partir de las 8 pm, que llegan a salir 1200 L/s CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN ENTRE P4 Y ATRIO CAUDAL DE AIRE A TRAVES DE REJILLA DE CONEXIÓN ENTRE P3 Y ATRIO POTENCIAL DE ENFRIAMIENTO DEL ATRIO EN PLANTAS 3 Y 4
  • 48. VARIANTES SOLO P2 CONECTADA MEDIANTE REJILLAS ABIERTAS CON ATRIO. ANALISIS CFD PARA EL 17 MAYO A LAS 4 AM CAUDAL DE AIRE ENTRANTE Y SALIENTE A TRAVES DE REJILLA EN SEGUNDA PLANTA QUE CONECTA CON ATRIO Se observa que a distintas alturas la presión de l aire cambia, y con ello su movimiento, velocidad y temperatura.
  • 49. PB entra aire fresco del atrio a la PB P1 no se aprecia intercambio de aire con el atrio. P2. Sale el aire hacia el atrio, en sentido descendente. P3. Sale el aire hacia el atrio, en sentido ascendente. P4. Sale el aire hacia el atrio, en sentido ascendente. RESULTADOS CFD PARA 17 MAY 4 AM
  • 50. P2: FLUJO SALIENTE, CORRESPONDE AL CAUDAL 4 m3/s (16 MAY 3 AM) A distintas horas del día, los factores que afectan la temperatura del aire cambian, y con ello su presión, velocidad y dirección. VARIANTES
  • 51. P2: FLUJO DE AIRE CORRESPONDIENTE AL CAUDAL 3.5 m3/s (16 MAY 1 PM) A distintas horas del día, los factores que afectan la temperatura del aire cambian, y con ello su presión, velocidad y dirección. VARIANTES
  • 52. RESUMEN DE LAS MEJORAS PROPUESTAS IMPLEMENTADAS EN LA SIMULACION 1. Doble salida de aire superior en Atrio (norte-sur) 2. Ventanas operables al exterior en Oficinas y Zonas Comunes (40% área apertura). Horario de apertura: sólo cuando la temperatura interior sobrepasa la exterior. Permitir hiperventilación nocturna para enfriamiento de masa térmica y bajar la TMR durante horas de calor (acumulación de frío y emisión de frío radiante) 3. Persianas exteriores en ventanas de oficinas. Horario de uso: bajan cuando la radiación solar incidente llega a 120 w/m2 4. Conexión Oficinas-Atrio controlada a través de rejillas a ras del techo en cada planta OTRAS RECOMENDACIONES BASADAS EN LOS RESULTADOS 1. Incrementar caudal de ventilación natural en PB (mas superficie de ventana operable y/o rejillas abiertas) 2. Disponer una doble piel o fachada ventilada en la fachada poniente con el fin de reducir la TMR al interior de las oficinas 3. Usar un impermeabilizante de un color claro muy reflectante (“cool roof”) o sombrear y aislar térmicamente la cubierta mediante una capar de aislamiento térmico de al menos 5 cm para reducir temperatura de cubierta y la TMR interior en P4 4. Instalar una red capilar embebida en la masa térmica (losas) por la que hacer circular agua fría (FRIO RADIANTE) para mejorar la temperatura operativa y la sensación térmica de los ocupantes. 5. Se recomienda reducir la ganancia solar en el atrio, ya sea con elementos de sombreamiento, una doble piel o cubierta acristalada ventilada, que podría ser vidrio fotovoltaico con el fin de aprovechar su gran exposición a la radiación solar para generar energía eléctrica de origen renovable y compensar parte de las emisiones de gases efecto invernadero.
  • 53. En Tequisquiapan, Querétaro, México, a 12 de Agosto de 2019 susana garcia san roman Arq. Susana García San Román, LEED AP BD+C Consultora Energética sgsr@estein.com