Paràmetres definitoris de la façana ventilada i la seva influència sobre el funcionament energètic del sistema

Abstract

(English) The negative repercussions of climate change and global warming are becoming more and more evident. We need to find strategies to reduce our environmental impact and at the same time adapt to these new conditions. The ventilated facade is a constructive system that can be useful to avoid overheating of buildings and improve the comfort of users. The commonly used energy calculation systems, incorporated in the regulations, do not take into account many of the characteristics of ventilated facades. Some of their parameters, or their combination, can affect the ventilation of the cavity and the energy performance of the enclosure. Therefore, these systems may not be sufficient to argue for decision-making about aspects involved in the energy performance of the facade as a whole. This thesis hypothesizes that the simplified calculation systems do not consider parameters of the ventilated facade that can greatly influence the energy performance of the envelope. To demonstrate this, an algorithm is developed. It takes into account the defining parameters of the ventilated façade and related variables. It is an algorithm that takes into account the characteristics of the facade, the building as a whole, and the environment, along with the weather conditions. With this information, it relates the energy flows based on their transfer equations. Transient conduction is considered following the explicit method, with surface finite elements. The airflow through the openings and inside the ventilated cavity depends on the wind pressure and the buoyancy, while the dynamic and frictional losses are conditioned by the geometry and characteristics of the channel. This model is incorporated into a calculation tool programmed in Python and is validated by comparing its results with temperatures measured in five buildings. These cases were chosen to represent different situations, and especially uncertain aspects such as airflow and how it is conditioned by the geometry of the cavity and its interruptions and discontinuities. The validation of the tool is carried out at two levels: graphical and numerical. The first allows us to obtain an image of the model operation and to be able to analyse in which situations it best approximates reality, while the second allows us to obtain objective statistical values. The tool is validated with a minimum coefficient of determination (R²) of 0.87 for each of the periods, which indicates a very good correlation. Once validated, the tool is used to analyse how some parameters influence the energy performance of the envelope. The chosen parameters are the colour of the outer surface, the dimensions of the ventilation channel and the material of the outer sheet. It is verified that these parameters imply a variation of the average outer surface temperature of the inner sheet of between 0.64 °C and 7.97 °C, which proves the hypothesis. In the future, it is proposed that the influence of various parameters in different climates and situations be studied in depth so that this information can be extrapolated and used as a design guide. In this way, architects could reasonably estimate how their technical and design proposals influence the energy performance of the enclosure. By being able to adapt the facade to the environmental, climatic, building or system conditions, a lower energy demand for climate control could be achieved. In addition, this knowledge can be used to implement innovative proposals that can improve the effectiveness and efficiency of the ventilated façade. Finally, it can also be applied to try to influence the regulations and their simplified calculation systems, with the aim that they reflect the actual energy performance of the ventilated facade more accurately.

(Català) Les repercussions negatives del canvi climàtic i l’escalfament global són cada cop més evidents. Cal cercar estratègies per reduir el nostre impacte ambiental i alhora adaptar-nos a aquestes noves condicions. La façana ventilada és un sistema constructiu que pot ser útil per evitar el sobreescalfament dels edificis i millorar el confort dels usuaris. Els sistemes de càlcul energètic que estableixen les normatives i que s’utilitzen habitualment no tenen en compte molts dels paràmetres de la façana ventilada, cosa que pot condicionar la ventilació de la cambra i el comportament energètic del tancament. Per aquesta raó, pot ser que amb aquests sistemes no n’hi hagi prou per argumentar la presa de decisions en relació amb els aspectes implicats en el funcionament energètic del conjunt de la façana. En aquesta tesi es planteja la hipòtesi que els sistemes de càlcul simplificat no tenen en compte paràmetres de la façana ventilada que poden tenir molta influència en el funcionament energètic del conjunt. Per demostrar-ho, es desenvolupa un algoritme que relaciona els paràmetres definitoris de la façana ventilada i les variables que hi estan relacionades. Es tracta d’un algoritme que té en compte les característiques de la façana, del conjunt de l’edifici i de l’entorn proper, juntament amb les condicions meteorològiques. A partir d’aquesta informació, relaciona els fluxos d’energia basant-se en les equacions de transferència corresponents. La conducció transitòria es considera seguint el mètode explícit, amb elements finits superficials. El flux d’aire a través de les obertures i dins la cambra depèn de la pressió del vent i de l’efecte xemeneia, i les pèrdues dinàmiques i friccionals estan condicionades per la geometria i les característiques del canal. Aquest model s’incorpora en una eina de càlcul programada amb Python i es valida comparant-ne els resultats amb la mesura de les temperatures en cinc edificis. S’han escollit casos que donin resposta a situacions diferents, sobretot en els àmbits en què hi ha més dubtes, com ara la circulació de l’aire i la manera com està condicionada per la geometria de la cambra i les interrupcions i discontinuïtats. L’eina es valida en dos nivells: gràfic i numèric. El primer permet obtenir una imatge del seu funcionament i analitzar en quines situacions s’aproxima millor a la realitat; el segon permet obtenir uns valors estadístics objectius. L’eina es valida amb un coeficient de determinació (R²) mínim de 0,87 per a cada un dels períodes, xifra que comporta una molt bona correlació. Un cop validada, l’eina s’utilitza per analitzar la influència de diversos paràmetres sobre el funcionament energètic de l’envolupant: el color de la superfície exterior, les dimensions del canal de ventilació i el material del full exterior, els quals suposen una variació de la temperatura mitjana superficial exterior del full interior d’entre 0,64 °C i 7,97 °C, xifres que demostren la hipòtesi. En un futur es planteja estudiar en profunditat la influència de diversos paràmetres en diferents climes i situacions, de manera que aquesta informació es pugui extrapolar i utilitzar com a guia de disseny. D’aquesta manera, els arquitectes podran estimar raonadament com influeixen les seves propostes tècniques i projectuals en el funcionament energètic del tancament. Adequant la façana a les condicions d’entorn, climàtiques, d’edifici o de sistema es pot aconseguir una menor demanda energètica de climatització. A més, aquest coneixement es pot utilitzar per implementar propostes innovadores a la façana que en puguin millorar l’eficàcia i l’eficiència. Finalment, també es pot incidir en la normativa i els sistemes de càlcul simplificat, amb l’objectiu que reflecteixin amb més rigor el funcionament energètic real de la façana ventilada.

(Español) Las repercusiones negativas del cambio climático y el calentamiento global son cada vez más evidentes. Es necesario buscar estrategias para reducir nuestro impacto ambiental y al mismo tiempo adaptarnos a estas nuevas condiciones. La fachada ventilada es un sistema constructivo que puede resultar útil para evitar el sobrecalentamiento de los edificios y mejorar el confort de los usuarios. Los sistemas de cálculo energético que establecen las normativas y que se utilizan habitualmente no tienen en cuenta muchos de los parámetros de la fachada ventilada, lo que puede condicionar la ventilación de la cámara y el comportamiento energético del cerramiento. Por esta razón, puede que estos sistemas no sean suficientes para argumentar la toma de decisiones en relación con los aspectos implicados en el funcionamiento energético del conjunto de la fachada. En esta tesis se plantea la hipótesis de que los sistemas de cálculo simplificado no tienen en cuenta parámetros de la fachada ventilada que pueden tener mucha influencia en el funcionamiento energético del conjunto. Para demostrarlo, se desarrolla un algoritmo que relaciona los parámetros definitorios de la fachada ventilada y las variables relacionadas. Se trata de un algoritmo que tiene en cuenta las características de la fachada, del conjunto del edificio y del entorno cercano, junto con las condiciones meteorológicas. A partir de esta información, relaciona los flujos de energía según las ecuaciones de transferencia correspondientes. La conducción transitoria se considera siguiendo el método explícito, con elementos finitos superficiales. El flujo de aire a través de las aberturas y en la cámara depende de la presión del viento y del efecto chimenea, y las pérdidas dinámicas y friccionales están condicionadas a la geometría y las características del canal. Este modelo se incorpora en una herramienta de cálculo programada con Python, y se valida comparando sus resultados con temperaturas medidas en cinco edificios. Se han escogido casos que den respuesta a situaciones diferentes, sobre todo en los ámbitos en los que hay más dudas, como la circulación del aire y cómo ésta se ve condicionada por la geometría de la cámara y las interrupciones y discontinuidades. La herramienta se valida a dos niveles: gráfico y numérico. El primero permite obtener una imagen del funcionamiento de la herramienta y analizar en qué situaciones se aproxima mejor a la realidad; el segundo permite obtener unos valores estadísticos objetivos. La herramienta se valida con un coeficiente de determinación (R²) mínimo de 0,87 para cada uno de los períodos, cifra que comporta una muy buena correlación. Una vez validada, la herramienta se utiliza para analizar la influencia de varios parámetros sobre el funcionamiento energético de la envolvente: el color de la superficie exterior, las dimensiones del canal de ventilación y el material de la hoja exterior, los que suponen una variación de la temperatura media superficial exterior de la hoja interior de entre 0,64 °C y 7,97 °C, cifras que demuestran la hipótesis. En un futuro se plantea estudiar en profundidad la influencia de varios parámetros en distintos climas y situaciones, de modo que esta información se pueda extrapolar y utilizar como guía de diseño. De esta forma, los arquitectos podrán estimar razonadamente cómo influyen sus propuestas técnicas y proyectuales sobre el funcionamiento energético del cerramiento. Adecuando la fachada a las condiciones de entorno, climáticas, de edificio o de sistema, se puede conseguir una menor demanda energética de climatización. Además, este conocimiento se puede utilizar para implementar propuestas innovadoras que puedan mejorar la eficacia y eficiencia de la fachada. Por último, también se puede incidir sobre la normativa y los sistemas de cálculo simplificado, con el objetivo de que reflejen con más rigor el funcionamiento energético real de la fachada ventilada.