Método para diseñar y aplicar “estrategias pasivas”

Siguiendo con la serie de posts relacionados con Solar Decathlon Europe 2014 y el proyecto SymbCity del equipo Plateau Team, hoy mostraré de que trataba mi Proyecto Fin de Grado. No os asustéis, no es propaganda. Como en todas las entradas, he tratado de exponerlo de una manera didáctica y divulgativa, para que sirva como un procedimiento a seguir para plantear estrategias pasivas. Para ello, he rescatado el extracto que se publicó en la Guia de Proyectos Fin de Grado de la Escuela Politécnica de Cuenca 2013/2014.

Proyecto monográfico

Estudio, propuesta y aplicación de estrategias pasivas para el proyecto SymbCity House del equipo Plateau Team en la competición Solar Decathlon Europe 2014

 
Autor: Ángel Sánchez Inocencio
Nota: 9,00 Matrícula de Honor

Introducción

Este Proyecto Fin de Grado trata sobre el estudio, propuesta y aplicación de estrategias bioclimáticas pasivas susceptibles de ser incorporadas al prototipo SymbCity House del equipo Plateau Team, uno de los 20 equipos finalistas en la competición internacional de viviendas sostenibles Solar Decathlon Europe 2014, celebrada en Versalles (Francia). La organización anima a vincular este trabajo, llevado a cabo por estudiantes, con actividades académicas, pudiendo elaborar proyectos y tareas propias de las labores del Ingeniero de Edificación.
Con el objetivo de resolver satisfactoriamente tanto éste, como cualquier otro proyecto similar, se decide marcar una metodología clara y bien estructurada:

Información de partida

Para conseguir un comportamiento energético óptimo, estas casas han de incorporar unas llamadas estrategias pasivas. Una estrategia pasiva es aquella que aprovecha la energía de forma directa, sin transformarla en otro tipo de energía, para su utilización inmediata sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía. Estos sistemas parten desde el propio diseño de los edificios y son elementos constructivos integrados en ellos. Para la correcta elección de estas estrategas pasivas, es necesario realizar un informe climatológico de la zona en la cual se emplazará la vivienda.

Valoración del informe climatológico y estrategias pasivas

Podría decirse que este es el paso más importante. Primero, se debe relizar un informe climatológico, que nos aporte un diagrama psicrométrico (además de otros datos climáticos), en este caso con situación en París. La herramienta utilizada fue Climate Consultant, bastante fácil e intuitiva.
Diagrama psicrométrico (París)
En el diagrama psicrométrico se observa una dispersión de puntos (verde), que es característica de cada clima. En el Climograma de Givoni, para cada una de las áreas (moradas o naranjas) se propone una estrategia pasiva a adoptar (calefacción o refrigeración). Estos datos se cruzan, y para cada tramo de la dispersión se asigna un área del climograma. Así, se obtienen unos condicionantes de diseño para las estrategias tanto de invierno como de verano.
Climograma de Givoni

Resultados

Invierno

3. Calefacción por ganancias internas
4. Aprovechamiento pasivo de la energía solar
5. Aprovechamiento activo de la energía solar
7. Calefacción convencional

Verano

8. Protección solar (sobre todo en el patio/invernadero)
9. Refrigeración por alta masa térmica
12. Refrigeración por ventilación natural y mecánica
Debemos tener en cuenta que estos resultados no son sistemas concretos, sino unas directrices que se pueden cumplir mediante muchas y muy variadas técnicas. Teniendo esto en cuenta, se seleccionan dos estrategias: incorporación de un muro Trombe o parietodinámico (puntos 4 y 12) en la fachada sur del prototipo y de materiales de cambio de fase (PCMs) (puntos 3 y 9) en los revestimientos interiores.

Investigación, antecedentes y análisis previos

Se considera preciso realizar una serie de investigaciones previas que aporten los datos y conocimientos necesarios para la fase de diseño y aplicación.
Un muro parietodinámico es un cerramiento que aprovecha la energía solar para el precalentamiento del aire exterior de ventilación. Se estima que el muro será capaz de neutralizar durante el día las temperaturas entre 1 y 2ºC por debajo del confort. Contra los problemas de sobrecalentamiento, se cuenta con la ventilación forzada-pasiva del muro para refrescar entre 1 y 2ºC el ambiente. Se decide incorporar paneles de barro con PCM en la cara interna del muro parietodinámico para mejorar su rendimiento y aumentar su inercia térmica.
La abreviación PCM proviene de sus siglas en inglés: Phase Change Materials. Son materiales con una extraordinaria capacidad de almacenar energía en forma de calor mediante su cambio de estado. En este caso se utilizan parafinas microencapsuladas (BASF – Micronal PCM) mezcladas con revoco de barro (Embarro Universal), por su capacidad de mezclarse como si fuese un árido. De su incorporación se espera que produzcan una reducción en la demanda energética del 20%, así como una estabilización del la temperatura interior de confort de hasta 3ºC. Su situación óptima será en las mayores superficies libres de la vivienda; las paredes.

Desarrollo constructivo de las soluciones

Muro Trombe o parietodinámico: Se compone de un marco perimetral adosado al cerramiento exterior, cerrado por un vidrio simple, creando así en su interior una cámara de aire. En la parte superior e inferior del marco se prevén espacios para colocar trampillas que controlen el flujo del aire en sentido ascendente. En el muro se disponen cuatro compuertas que comunican con el interior, dos inferiores y dos superiores, cuyo accionamiento será domótico.

Paneles de barro con PCMs: Se diseñan paneles de madera con un marco perimetral rellenos de dos capas; una de caña para aportar adherencia entre el panel y el barro, y la otra, compuesta por Embarro Universal con una concentración del 20% de PCMs en volumen. En el cerramiento se disponen unos rastreles que servirán para crear una cámara de aire por la que discurrirán las instalaciones y dónde los paneles irán atornillados.

Cálculos, simulaciones y ensayos

Teniendo como referencia los resultados de las investigaciones anteriormente citadas, se hacen los cálculos, simulaciones y ensayos necesarios para justificar la estrategia tomada y comprobar si tendrá o no el comportamiento esperado.
Para el muro parietodinámico se aplica un método de cálculo simplificado para cuantificar las hipotéticas ganancias que tendría por convección. Por otro lado se llevan a cabo simulaciones mediante TRNSYS, cedidas por J.F. Belmonte, para obetener datos sobre la temperatura que alcanzará la cámara en la competición y el caudal de aire que será capaz de extraer por termocirculación.
En el caso de los paneles de barro con PCM se realizan diversas simulaciones.
– Una con PCMexpress, de la que resulta una comparativa entre la vivienda con un sistema de cerramiento convencional y un sistema comercial con PCMs.
– Otra mediante Design Builder, para comparar el comportamiento de la vivienda con y sin estrategias pasivas en régimen anual y durante la competición.
Para el muro parietodinámico se estima una ganancia neta media de 5,90 kWh al día para los meses de invierno, por termocirculación. La cámara alcanza 47ºC, generando un flujo de aire suficiente para cubrir la demanda de ventilación mínima del dormitorio, 36 m3/h. La incorporación de PCMs en las paredes de la vivienda mantiene la temperatura ambiente en valores de confort, produciendo desfases de entre 1 y 2ºC con una concentración del 30% PCM-Barro, pudiendo llegar a diferencias de hasta 3ºC.

Ensayos de laboratorio con High Insulation House

Se realizan ensayos de laboratorio para evaluar el comportamiento de los paneles de barro con PCM de manera empírica. Se utilizan dos cámaras aisladas, una siempre conteniendo PCM y otra que se utiliza para establecer la comparación con distintos materiales. El ensayo consiste en hacer pasar ambas cámaras por la temperatura teórica de cambio de fase (23ºC) para analizar simultáneamente la evolución de la temperatura ambiente y superficial de las muestras.
En el ensayo Barro (1) – Barro con 30% de PCM (2) se aprecia una diferencia de 2ºC, así como la desviación de temperaturas superficiales a los 23ºC, cuando el PCM cambia de fase y absorbe energía sin aumentar su temperatura.
Estos sistemas tuvieron mucho que ver en nuestro 3er puesto en la prueba de Eficiencia Energética. Espero que os sea de mucha ayuda y al igual que manifesté en la anterior entrada, creo que es mejor que si alguien quiere saber más o tiene alguna duda, lo deje en un comentario y yo le contestaré encantado. Termino con unas fotografías ilustrativas:
Acabados de barro con materiales de cambio de fase (PCM)
Este es el montaje del muro parietodinámico… He de confesar que aquí alguien andaba entreteniendo a nuestro “Observer”.
Montaje muro parietodinámico
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