COMPORTAMIENTO TÉRMICO

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UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
DOCTORADO EN ARQUITECTURA
DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA
Programa de doctorado: Teoría y práctica de la intervención en la ciudad existente
COMPORTAMIENTO TÉRMICO
DE CERRAMIENTOS SOLEADOS
Un modelo de simulación por diferencias finitas
Tesis Doctoral presentada por D. Manuel Martín Monroy
Dirigida por el Dr. D. Francisco Ortega Andrade
El Director:
El Doctorando:
Las Palmas de Gran Canaria, a 10 de noviembre de 1995
Deseo manifestar mi profundo agradecimiento a todos aquellos que con
su ayuda han hecho posible esta tesis, en particular a los catedráticos
Jaime López de Asiaín, Antonio Gómez Gotor y Francisco Ortega
Andrade por la orientación prestada en diferentes fases de la
investigación, a los doctores José Manuel Pérez Luzardo, Pablo
Hernández Ortega y el personal del Laboratorio de Construcción de la
E.T.S. de Arquitectura por su colaboración en la realización de la
investigación, a los doctores Manuel Martín Hernández y Víctor Espino
por su paciencia en la revisión de los borradores, y especialmente a mi
familia y amigos por su continuo apoyo.
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Índice de contenidos
1. Introducción
1.1 Antecedentes
2
1.2 Objeto de la investigación
3
1.3 Aplicación de la investigación
4
1.4 Acotación de la investigación
6
1.5 Metodología y fuentes
8
2. Procesos físicos de transferencia de calor
2.1 Introducción
2.1.1 Principios fundamentales
2.1.2 Mecanismos de transferencia de calor en cerramientos
2.1.3 Dimensiones y unidades físicas
2.2 Transferencia de calor por conducción
2.2.1 El mecanismo de la conducción
2.2.2 Conducción en régimen estacionario
2.2.3 Temperaturas en el interior del cerramiento
9
9
10
13
15
15
15
18
VI
Comportamiento térmico de cerramientos de edificios
2.3 Transferencia de calor por convección.
2.3.1 El mecanismo de la convección
2.3.2 Coeficiente superficial de transmisión del calor
2.3.3 Resistencia térmica de cámaras de aire
2.4 Transferencia de calor por radiación
2.4.1 El mecanismo de la radiación
2.4.2 Física de la radiación
2.4.3 Características radiantes de los materiales
2.4.4 Propiedades espectrales de la radiación
2.4.5 Propiedades direccionales de la radiación
2.4.6 Intercambio de irradiación entre superficies
2.4.7 Cálculo de irradiación entre superficies
2.4.8 Intercambio de irradiación entre superficies y gases
20
20
20
22
23
23
23
24
26
28
29
31
33
3. Conducción en régimen transitorio
3.1 Introducción
35
3.1.1 Ecuación general de la conducción
36
3.2 Métodos analíticos de calculo
38
3.2.1 Conducción transitoria sin resistencia interna
3.2.2 Conducción transitoria en un sólido semiinfinito
3.2.3 Conducción periódica sinusoidal en sólidos semiinfinitos
3.2.4 Soluciones tabuladas de conducción con régimen transitorio
3.3 Métodos experimentales de calculo
3.3.1 Fundamentos y limitaciones
3.3.2 Factor de respuesta del cerramiento
3.3.3 Función de transferencia
3.3.4 Métodos de temperaturas de proyecto
3.3.5 Modelos analógicos
3.4 Métodos numéricos de cálculo
38
40
41
44
44
44
45
46
47
49
52
3.4.1 Método explícito en cerramientos homogéneos
3.4.2 Método explícito en cerramientos heterogéneos
3.4.3 Método implícito en cerramientos homogéneos
3.4.4 Método implícito en cerramientos heterogéneos
3.4.5 Métodos de direcciones alternas
53
57
61
64
68
3.5 Método implícito-explícito de Crank-Nicolson
70
3.5.1 Sección intermedia de cerramiento homogéneo
3.5.2 Sección intermedia en cerramientos heterogéneos
3.5.3 Sección superficial con convección y radiación
3.5.4 Proceso de cálculo y conclusiones del método Crank-Nicolson
70
71
73
75
4. Convección en cerramientos
4.1 Introducción
77
4.2 Convección natural o libre
78
Índice de contenidos
4.2.1 Estimación analítica
4.2.2 Estimación experimental
4.2.3 Síntesis de la estimación analítica y experimental
VII
78
80
81
4.3 Convección forzada
83
4.4 Convección mixta:
86
4.5 Cámaras de aire
87
5. Soleamiento e irradiación infrarroja en
cerramientos
5.1 Introducción
89
5.2 Características de la radiación solar
90
5.2.1 Movimiento aparente del sol
5.2.2 Cálculo de la posición del sol
5.2.3 La radiación solar extraterrestre
5.2.4 La radiación solar terrestre
5.2.5 Medición de la radiación solar
5.3 Estimación de la radiación solar
5.3.1 metodología de cálculo
5.3.2 Radiación solar horizontal diaria extraterrestre (H0)
5.3.3 Radiación solar horizontal diaria (H)
5.3.4 Discusión sobre la estimación de la insolación
5.3.5 Radiación horizontal diaria corregida por la altitud
5.3.6 Radiación horizontal diaria directa (HD) y difusa (Hd)
5.3.7 Intensidad solar horizontal total (Ih)
5.3.8 Intensidad solar normal directa (IND) en días claros
5.3.9 Intensidad solar horizontal directa (IhD) en días claros
5.3.10 Intensidad solar horizontal difusa (Ihd) en días claros
5.3.11 Intensidad horizontal difusa (Ihd) en días cubiertos
5.3.12 Intensidad solar en cielos parcialmente cubiertos
5.3.13 Intensidad solar directa sobre planos inclinados (IbD)
5.3.14 Intensidad solar difusa sobre planos inclinados (Ibd)
5.3.15 Intensidad reflejada sobre planos inclinados (IbR)
5.3.16 Intensidad solar total sobre cualquier superficie (IbT)
5.3.17 Irradiación de onda corta interior
5.4 Irradiación infrarroja del entorno
5.4.1 Irradiación emitida por el hemisferio celeste (Qc)
5.4.2 Emitancia aparente del hemisferio celeste (ec)
5.4.3 Emitancia direccional aparente del cielo (eq)
5.4.4 Irradiación emitida por las superficies del entorno (Qe)
5.4.5 Irradiación total incidente sobre superficies inclinadas (Qi)
5.4.6 Irradiación neta de superficies exteriores (Qneto)
5.4.7 Irradiación neta de superficies interiores
90
91
94
94
96
97
97
97
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110
112
112
113
114
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116
117
119
120
123
126
130
131
134
135
VIII
Comportamiento térmico de cerramientos de edificios
6. Parámetros físicos de cálculo
6.1 Introducción
6.1.1 Clasificación de los datos
6.1.2 Metodología para la determinación de los datos
6.1.3 La estimación del ambiente interior y exterior
6.2 Temperatura del aire exterior
137
137
138
139
140
6.2.1 Oscilaciones periódicas de la temperatura del aire
6.2.2 Modelo para la estimación de la temperatura del aire
6.2.3 Oscilaciones aleatorias de la temperatura del aire
6.3 Velocidad del aire exterior
141
143
146
147
6.3.1 Influencia de factores geométricos en el viento
148
6.3.2 Influencia de factores temporales en el viento
6.3.3 Modelo para la estimación de la velocidad del viento
6.3.4 Modelo de velocidad del viento con rachas aleatorias
150
153
155
6.4 Radiación solar
6.4.1 Estimación de la intensidad solar
158
159
6.5 Irradiación del entorno
163
6.6 Parámetros superficiales del cerramiento
166
6.7 Parámetros internos del cerramiento
168
6.7.1 Conductividad térmica y densidad
6.7.2 Capacidad térmica
6.8 Estructura del modelo de simulación
6.8.1 Intervalos temporales
6.8.2 Espesores de las capas
6.8.3 Temperaturas iniciales del cerramiento
168
172
173
173
173
175
7. El modelo de simulación
7.1 Introducción
181
7.2 Estructura del programa
182
7.2.1 Flujo del programa
7.2.2 Las bases de datos
182
185
7.3 Módulos del programa
7.3.1 Carga de datos
7.3.2 Edita ambiente
7.3.3 Edita cerramiento
7.3.4 Temperaturas iniciales
7.3.5 Temperaturas de referencia
7.3.6 Módulo de cálculo
7.3.7 Módulo repite
7.3.8 Temperaturas estimadas
189
189
189
193
193
194
194
197
198
Índice de contenidos
7.3.9 Temperaturas diferenciales
7.3.10 Flujos superficiales
7.3.11 Flujos interiores
7.3.12 Módulos complementarios:
7.3.13 Módulos externos
IX
200
200
202
203
205
8. El módulo experimental
8.1 Introducción
209
8.2 El local experimental
210
8.2.1 Descripción del local experimental
8.3 Parámetros a monitorizar y controlar
211
218
8.3.1 Monitorizacion continua
8.3.2 Monitorizacion discontinua
8.3.3 Control ambiental
218
220
221
8.4 Instrumentación y calibración
221
8.4.1 Transductores
8.4.2 Aparatos auxiliares
8.4.3 Sistema de adquisición y tratamiento de datos:
8.4.4 Sistemas auxiliares
8.4.5 Otros instrumentos auxiliares:
8.5 Programación de la toma de datos
8.5.1 Programa de cubiertas monitorizadas:
8.5.2 Programación del data logger Doric
8.5.3 Programación del computador Casio FX-9000P.
8.5.4 Programación de ordenador personal compatible (PC)
8.6 Resultado de la experimentación
8.6.1 Datos obtenidos de forma continua
8.6.2 Revisión y depuración de los datos
8.6.3 Datos obtenidos de forma discontinua
8.6.4 Conclusión de la campaña
222
227
229
232
234
235
236
239
240
242
243
243
243
247
248
9. Verificación y pruebas del modelo de
simulación
9.1 Introducción
9.1.1 Antecedentes del proceso de verificación del modelo.
9.1.2 Tratamiento previo de los datos experimentales
9.1.3 Metodología del proceso de verificación
9.2 Verificación de la cubierta testigo
9.2.1 Selección de los datos ambientales de verificación
9.2.2 Determinación de los datos de la cubierta testigo
9.3 Pruebas con la cubierta testigo en un
249
250
250
252
253
253
256
X
Comportamiento térmico de cerramientos de edificios
día muy soleado (243)
9.3.1 Análisis de resultados iniciales con la cubierta testigo base el día 243
9.3.2 Corrección de los datos ambientales del día 243, prueba en la
cubierta testigo base y análisis de resultados.
9.3.3 Corrección de los datos de la cubierta testigo base, prueba con el
ambiente corregido y análisis de resultados.
9.4 Pruebas con la cubierta testigo en un
día muy cubierto (234)
9.4.1 Análisis de resultados iniciales con la cubierta testigo base el día 234
9.4.2 Corrección de datos ambientales del día 234 y de la cubierta
testigo base, con prueba y análisis de resultados.
9.4.3 Prueba con los datos de la cubierta testigo corregida y
análisis de resultados.
9.5 Pruebas con la cubierta testigo en diferentes
secciones A1, C0 y D0
9.5.1 Cubierta testigo A1, sección intermedia y 6 sensores
9.5.2 Cubierta testigo C0, sección central de la bovedilla.
9.5.3 Cubierta testigo D0, sección por la vigueta
9.6 Pruebas con la cubierta experimental B,
con diferentes protecciones
9.6.1 Cubierta experimental B2, forjado base albeado.
9.6.2 Cubierta experimental B4 con 5 cm. de grava
9.6.3 Cubierta experimental B5 con 10 cm. de picón
9.6.4 Cubierta invertida B3 con 3 cm de PE y 5 cm de grava
9.6.5 Cubierta inundada B1 con 5 cm de agua
9.7 Verificación y pruebas del editor de ambiente
9.7.1 Pruebas con datos simulados de un día soleado (243)
9.7.2 Pruebas con datos simulados de un día cubierto (234)
9.8 Valoración de la bondad del modelo de simulación.
257
260
261
265
269
271
273
275
278
279
281
283
285
286
290
294
299
306
309
309
313
317
10. Síntesis y conclusiones
10.1 Recapitulación y conclusiones parciales
10.1.1 Procesos físicos de transferencia de calor
10.1.2 Conducción en régimen transitorio
10.1.3 Convección en cerramientos
10.1.4 Soleamiento en cerramientos
10.1.5 Irradiación infrarroja en cerramientos
10.1.6 Parámetros físicos de cálculo
10.1.7 El modelo de simulación
10.1.8 El módulo experimental
10.1.9 Verificación y pruebas del modelo de simulación
10.2 Conclusiones finales
319
319
320
323
324
327
328
331
336
337
344
Índice de contenidos
Bibliografía
XI
349
A. Programas informáticos
A.1 Convección en cerramientos
357
A.1.1 RSUP.BAS (QBASIC)
357
A.2 Soleamiento e irradiación infrarroja
A.2.1 CARTASOL.BAS (QBASIC)
A.2.2 PSICROTH.BAS (QBASIC)
A.3 Parámetros físicos de cálculo
A.3.1 TDIARIA.BAS (QBASIC)
A.3.2 TANUAL.BAS (QBASIC)
A.3.3 VRUIDIA.BAS (QBASIC)
A.3.4 ISOLDIA8.BAS (QBASIC)
A.3.5 HORIZON.BAS (QBASIC)
A.3.6 TEMPINI.BAS (QBASIC)
A.4 El modelo de simulación
A.4.1 TRASDOS (VISUAL BASIC)
A.4.2 AMBEDIT (VISUAL BASIC)
A.4.3 CERREDIT (VISUAL BASIC)
A.4.4 FLUJOTMP (VISUAL BASIC)
A.4.5 FLUJOEXT (VISUAL BASIC)
A.4.6 FLUJOINT (VISUAL BASIC)
A.4.7 ENTORNO (VISUAL BASIC)
A.4.8 MATERIAL.TXT (ASCII)
A.4.9 INFORMA.TXT (ASCII)
A.4.10 INSTALA.TXT (ASCII)
A.5 El módulo experimental
A.5.1 DORIC-15.BAS (C-BASIC)
A.5.2 DORIC-20.BAS (C-BASIC)
A.5.3 DORIC-20.BAS (GWBASIC)
A.5.4 GRAFT-4.BAS (GWBASIC)
A.6 Pruebas y verificación del modelo
A.6.1 AMBIE3TM.BAS (QBASIC)
A.6.2 AMBIE6TM.BAS (QBASIC)
A.6.3 TCER02TM.BAS (QBASIC)
A.6.4 TCER_5TM.BAS (QBASIC)
358
358
358
360
360
361
362
363
365
366
367
367
382
395
402
410
420
428
436
438
439
440
440
443
444
445
446
446
448
451
453
Apéndice B. Datos de materiales
B.1 Propiedades físicas
457
B.2 Propiedades superficiales
462
B.3 Relaciones entre densidad y conductividad
464
XII
Comportamiento térmico de cerramientos de edificios
Apéndice C. Datos de cerramientos
467
Apéndice D. Datos ambientales
473
Apéndice E. Datos de temperaturas en
cubiertas experimentales
491
Apéndice F. Simbolos y unidades
F.1 Nomenclatura
415
F.2 Unidades físicas
517
F.2.1 Magnitudes físicas fundamentales con sus símbolos,
dimensiones primarias y unidades SI
F.2.2 Conversión de unidades
517
517