Respuestas térmicas dinámicas en edificios: control térmico a través de la climatización natural.

Abstract

Las estrategias de ahorro de energía en edificios, posibilitan la disminución de los costos de operación y/o mantenimiento de los mismos a lo largo de su vida útil. Sin embargo, el confort térmico de los usuarios se ve en muchos casos comprometido por políticas de ahorro energético, tanto en el diseño como en la operación de los edificios. Este ahorro de energía no deja de ser prioritario, pero no a costa del confort humano, ya que tarde o temprano este falso ahorro se revierte, debido a la falta de productividad en el trabajo o al deterioro de la salud de los ocupantes, además de un acondicionamiento indebido y al empleo de métodos poco eficaces.<br/>Un compromiso entre ambas necesidades se puede alcanzar, o al menos aproximar, a través de pautas de diseño térmico elaboradas con criterios más precisos, a fin de lograr un ambiente confortable, evitando el sobre-dimensionamiento de materiales y energía. Uno de los problemas principales asociado al diseño orientado al ahorro de energía, o sistemas de climatización natural, es el de su control. Son necesarias estrategias de diseño para facilitar el control térmico de un modo más preciso, optimizando las condiciones de confort, los recursos materiales y la energía.<br/>En la investigación se efectúa un análisis desde el punto de vista dinámico del comportamiento térmico de diferentes tipos de edificios, con el objeto de evaluar y comparar sus respuestas térmicas en relación con el clima exterior. Con base en datos experimentales de un cierto número de edificios, obtenidos a través de mediciones de variables ambientales, se pretende hallar una relación entre tipologías edificatorias, y la respuesta que se genera debido a las características de esta tipología. Se propone una metodología de evaluación global de los fenómenos y efectos térmicos que actúan sobre el edificio, utilizando un número reducido de variables y coeficientes, con una precisión razonable respecto a su simplicidad. Se obtiene una serie de parámetros de comportamiento dinámico, que caracterizan al sistema.<br/>De la comparación de los sistemas térmicos, y bajo la hipótesis de que puede efectuarse una asociación inversa, pueden surgir indicaciones tanto de diseño como de control térmico para lograr determinados requisitos de confort térmico interior necesarios para la habitabilidad, aprovechando las propiedades de los materiales intervinientes y la geometría del proyecto arquitectónico.<br/>El objetivo primordial de este trabajo es extraer información de las mediciones de edificios reales, para llegar a una conclusión sobre su comportamiento térmico, que se pueda extrapolar a otros edificios. Esto servirá de guía para una serie de pautas de diseño y control térmico. Esta metodología permitiría interactuar con el diseño arquitectónico, brindando ya sea una orientación en las decisiones de diseño o una verificación numérica que confirme la elección de determinados elementos. Se aspira a optimizar algunas pautas básicas de diseño de ciertos elementos y sistemas arquitectónicos, que puedan regular el clima interior y mantener un adecuado nivel de confort térmico, evitando un costoso sobredimensionamiento de los materiales constructivos y recursos energéticos. Persiguiendo estos objetivos, en el trabajo se logran las siguientes metas:<br/>- Medición de algunas variables meteorológicas exteriores e interior a los edificios, que servirán como datos para el análisis de su comportamiento. <br/>- Desarrollo de un modelo de cálculo que represente al edificio como sistema dinámico, en que intervengan variables fácilmente medibles, pero de efectos relevantes sobre la respuesta térmica. <br/>- Identificación de elementos y sistemas arquitectónicos capaces de modificar (controlar) las condiciones climáticas interiores, en base al análisis efectuado del comportamiento térmico, <br/>- Elaboración de una serie de indicaciones de diseño térmico, que puedan servir de guía para optimizar el control de las condiciones interiores.

Strategies for energy saving in buildings allow substantial decreases in buildings energy costs for operation and maintenance. Nevertheless, because of the application of energy saving criteria in design and building operation, users' thermal comfort goes in many cases to a second term. Energy saving is priority, but it is necessary to take also into account the humans thermal comfort, because of consequences such as low work productivity, detriment of human heath, wrong use of air conditioning systems and low efficiency in the applied methods.<br/>A compromise between energy saving and thermal comfort can be achieved, or at least approached, applying more accurate thermal design criteria, in order to obtain more comfortable environments without over-dimensioning materials and energy in the project.<br/>One of the main problems related to energy efficiency using thermal passive systems is the systems control. Design strategies for a more accurate thermal control are necessary to optimize thermal comfort, materials and energy resources.<br/>In this study, a dynamic analysis of thermal behaviour of different buildings is carried out, in order to evaluate and to compare their thermal responses in relation to the outdoor climate. Using experimental data, obtained from thermal measurements of several buildings, the intention is to find a relation between building typologies and the thermal response due to these properties.<br/>A methodology is proposed for global evaluation of thermal phenomena and effects acting on the building, using a reduced number of variables and coefficients, obtaining an acceptable accuracy in relation to its simplicity. Parameters of dynamic building behaviour are obtained, which characterize the thermal system.<br/>From the comparison of thermal systems, under the hypothesis of an inverse association, design and thermal control strategies can be obtained, for the achievement of better indoor thermal conditions, taking advantage of materials thermal properties and the geometry of the architectural project.<br/>The main purpose of the study is, based on real buildings measurements, to obtain information about their thermal behaviour, able to be extrapolated to other buildings. This is useful to develop design and thermal control guidelines. According to these purposes, the following scopes have been achieved:<br/>- Measurement of meteorological outdoor and indoor building thermal variables,<br/>- Development of a model representing the building as a dynamic system, using easy measurable variables with relevant effects on thermal response,<br/>- Identification of architectural elements and systems able to modify (control) indoor climatic conditions, based on buildings thermal behaviour analysis,<br/>- Development of thermal design guidelines, useful to optimize the control of indoor conditions.