Comportamiento térmico de la cubierta en un clima cálido húmedo : repercusión energética en el edificio

Abstract

The central scope of this thesis is the architectonic element THE ROOF within the context of regions with warm and humid climates near the equator. The constant population growth in the world has been reflected, in these regions, with a high horizontal expansion of the city, where the low height buildings are the most extended urban typology. This fact added to the high and constant solar radiation determines that the roof is the main source of heat gains inside the residential buildings.

In the last decades, the Coast Region of Ecuador has experienced a significant change in the use of roofing materials, with a general tendency to increase heavy concrete roofs to the detriment of light metal roofs.

There is a general belief that concrete roofs, given their material characteristics, offer better environmental conditions than metal roofs, and consequently a lower energy demand. Therefore, the increased use of heavy concrete roofs "seems to have" a thermal purpose. However, these covers have a higher investment cost for the user, and in addition, and very important, they have a higher embodied energy.

Based on the above, the general objective of this research is to analyse and compare the thermal behaviour of these two covers, through measurements and simulations, in order to answer the question: WHAT ROOF TYPOLOGY OFFERS A LOWER OVERHEATING OF THE INTERIOR SPACE IN THE CLIMATE OF THIS REGION, THE LIGHT METAL ROOF OR THE HEAVY CONCRETE ROOF?

After the measurements of the climatic conditions of this region made in situ, it has been determined that the CLOUDINESS plays a fundamental role in the amount and type of solar radiation received in the roofs, as well as in the cooling capacity of the sky.

Consequently, the cloudiness is the climatic factor that has the greatest influence on the thermal performance of the roofs in this region. The consideration of this aspect in the energy analysis of the roofs has resulted in variables that in other climates have a high impact on the roof thermal behaviour, such as inclination, orientation or thermal resistance, can be cancelled in this climate.

The interior surface temperature of the light metal roof drops more than that of the heavy one during the night period but, despite what is commonly believed, during the day the interior temperature of the metal roof maintains a thermal performance almost equal to the concrete roof, given the increase of reflectivity to the visible and in particular to the increase of thermal infrared emissivity contributed by the use of suitable paints.

Therefore a light metal roof with values of thermal infrared emissivity and visible reflectivity above 0.70 has a better thermal performance than the heavy concrete roof with the same radiative properties and with a higher thermal resistance.

El eje central de esta tesis es el elemento arquitectónico CUBIERTA contextualizado en regiones con climas cálido húmedo cercanas al Ecuador. El aumento de la población urbana en el mundo se ha reflejado, en estas regiones, en una expansión horizontal de la ciudad, donde la tipología urbana predominante son las edificaciones de baja altura. Este hecho sumado a la alta y constante radiación solar determina que la cubierta es la principal fuente de ganancias de calor en el interior de las viviendas. En las últimas décadas la Región Costa del Ecuador ha experimentado un cambio significativo en el uso de los materiales de cubiertas, con una tendencia general al aumento de las cubiertas pesadas de hormigón en detrimento de las cubiertas ligeras metálicas. Existe una creencia general de que las cubiertas de hormigón, dadas sus características materiales, ofrecen mejores condiciones ambientales que las cubiertas metálicas, y por ende una menor demanda energética. Por lo tanto, el incremento del uso de las cubiertas pesadas de hormigón “parece tener” un propósito térmico. Sin embargo, estas cubiertas tienen un mayor costo de inversión para el usuario, y, además, y muy importante, tienen una mayor energía incorporada. En base a lo expuesto, el objetivo general de esta investigación es analizar y comparar el comportamiento térmico de estas dos cubiertas, a través de mediciones y simulaciones, con el fin de responder a la pregunta: ¿QUÉ TIPOLOGÍA DE CUBIERTA OFRECE UN MENOR SOBRECALENTAMIENTO DEL ESPACIO INTERIOR EN EL CLIMA DE ESTA REGIÓN, LA CUBIERTA LIGERA METÁLICA O LA CUBIERTA PESADA DE HORMIGÓN? Tras las mediciones de las condiciones climáticas de esta región realizadas in situ, se ha determinado que la NUBOSIDAD DEL CIELO juega un papel fundamental en la cantidad y tipo de radiación solar recibida en las cubiertas, así como en la capacidad de enfriamiento del cielo. En consecuencia, la nubosidad del cielo es el factor climático que tiene mayor influencia en desempeño térmico de las cubiertas en esta región. La consideración de dicho aspecto en el análisis energético de las cubiertas ha dado como resultado que variables que en otros climas tienen repercusión en el comportamiento térmico de las cubiertas, como la inclinación, la orientación o la resistencia térmica, puedan llegar a quedar anuladas en este clima. Por otra parte, este análisis resalta la importancia que tienen las propiedades radiativas sobre la reducción de la temperatura superficial interior de las cubiertas analizadas, la emisividad al infrarrojo térmico en el caso de la cubierta ligera metálica y la reflectividad al visible para la cubierta pesada de hormigón. La temperatura superficial interior de la cubierta ligera desciende más que la de la pesada durante el periodo nocturno, pero, a pesar de lo que comúnmente se cree, durante el día la temperatura interior de la cubierta metálica mantiene un desempeño térmico casi igual al de la cubierta de hormigón, dado el incremento de reflectividad al visible y en especial al incremento de emisividad al infrarrojo térmico aportado por el uso de pinturas adecuadas. Por lo tanto, una cubierta ligera metálica con valores de emisividad al infrarrojo térmico y reflectividad al visible por arriba de 0.70 tiene un mejor desempeño térmico que la cubierta pesada de hormigón con las mismas propiedades radiativas y con una mayor resistencia térmica.