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Caracterización térmica de los módulos de
experimentación
Evaluación térmica de la envolvente y sus condiciones al interior.
Ricardo Sánchez Benítez
Leonardo B. Zeevaert Alcántara
Programa de Maestría y Doctorado en Arquitectura
Universidad Nacional Autónoma de México
Ciudad de México, México
[email protected]
Programa de Maestría y Doctorado en Arquitectura
Universidad Nacional Autónoma de México
Ciudad de México, México
[email protected]
Abstract—La plataforma de experimentación consta de dos
módulos de idénticas dimensiones y configuración, en ellos se
pretende someter a prueba diversos materiales y criterios de
construcción como primer etapa. A través de la medición de
variables térmicas en las diferentes capas de la envolvente y su
correlación con los estímulos climatológicos externos, se pretende
alcanzar la estabilidad térmica al interior de cada módulo. Dicha
estabilidad se logra mediante la modificación de las capas de la
envolvente. En el sitio de construcción de los módulos se instaló a
su vez la Plataforma de Observación del Laboratorio de
Interacción con el Medio, de la cual se obtuvieron datos y fueron
comparados con los datos climatológicos y de Radiación obtenidos
de la Plataforma de Observación de la Unidad de Radiación Solar
del Instituto de Geofísica, dicho observatorio está certificado por la
WMO1. . En éste reporte se presenta los resultados obtenidos de
las dos primeras fases de experimentación
Palabras clave— Envolvente de doble capa, full scale testing
model, gradiente térmico, comportamiento térmico, módulo de
prueba.
I.
INTRODUCCIÓN
De las 290 investigaciones que se han llevado a cabo en el
campo de Tecnología desde 1973, el 62.42% (181 tesis) han sido
enfocadas a temas de Ambiente y Energía, así como a Desarrollo
de Materiales y Sistemas. Gran parte de estas investigaciones han
requerido de comprobar sus argumentos dentro de un espacio
experimental, diseñado éste por cada investigador acorde a las
necesidades específicas de su proyecto. Esta situación ha
complicado en gran medida la continuidad de ciertas líneas de
investigación, así como la comprobación de las hipótesis
expresadas en las investigaciones. Por éste motivo se planteó la
necesidad de crear un espacio experimental que cumpla con las
necesidades de la mayoría de las investigaciones del programa y
en el cual se pueda dar continuidad a las líneas de investigación
abiertas.
Recientemente se han realizado diversas estudios y pruebas
térmicas con modelos a escala 1:1. En el complejo Kubik by
Tecnalia, (Bilbao, España) Garay, Uriarte y Apraiz en el 2014
caracterizaron2 el comportamiento de los puentes térmicos que
se generaban en la instalación, utilizaron una simulación por
computadora y comprobaron sus datos con mediciones en el
edificio. (Garay Roberto, 2014)
En la azotea “J” de la Unidad de Posgrados perteneciente al
campus de la Universidad Nacional Autónoma de México se
encuentra la Plataforma de Observación y Experimentación del
Laboratorio de Interacción con el Medio (LIM)3. En esta
plataforma se construyeron dos Módulos, uno experimental y
otro de referencia. Cada módulo de tiene 27 m3.. La envolvente
vertical está formada por una doble capa cuyo valor U 4 es de
0.10917. La envolvente horizontal (cubierta) tiene un sistema
cuyo valor U es de 0.06337. La envolvente horizontal (piso)
tiene un sistema compuesto de aislamiento al exterior e interior
cuyo valor U es 0.16332. Cada módulo está montado en una
estructura especial que les permite girar 360° sobre su propio eje,
lo cual da la oportunidad de que cada una de sus fachadas
observen cualquier orientación.
2
Caracterizar: Determinar los atributos peculiares de alguien o de algo,
de modo que claramente se distinga de los demás. (Fuente: Diccionario de
la Real Academia Española)
3
La Plataforma de Observación y Experimentación del Laboratorio de
Interacción con el Medio se localiza en la azotea del edificio J de la Unidad de
Posgrados Su localización según coordenadas UTM es: Zona 14 Q, coordenada
Este 480541.14 m E, coordenada Norte 2135054.19 m N.
4
1
WMO. World Meteorological Organization.
Valor U: Cantidad de calor que fluye por unidad de tiempo y
superficie. Unidad W/m2°K.
© Derechos de Autor Protegidos.
Realización de la investigación gracias al Apoyo de CONACYT.
la fachada Sur y cuál es el comportamiento del aislamiento de la
capa exterior de la envolvente, tanto para un día nublado como
uno soleado.
En la segunda fase analizamos la estratificación de las
temperaturas internas del módulo y las correlacionamos con la
temperatura ambiente en el exterior.
Estas observaciones y análisis tienen como fin ultimo obtener
un módulo térmicamente estable, es decir, con un diferencial de
temperatura ≥ 1°C durante las 24 horas del día.
III.
MÉTODO
Hemos definido tres fases experimentales para cumplir el
objetivo de estabilidad térmica al interior.
Fig. 1. Vista exterior módulos de Experimentación.
1.
Fase UNO. Con la cara exterior de la envolvente
construida, y el vano de la fachada experimental
cubierto con una lona, censamos su comportamiento
térmico. En el paño interior de la envolvente
registramos la temperatura de la superficie.
Medimos y registramos la temperatura y humedad
relativa al interior del módulo de experimentación.
La envolvente de la cual registramos su
comportamiento fue orientada hacia el Sur.
Correlacionamos éstos registros con los obtenidos de
Radiación Global y Temperatura en la Plataforma de
Observación del LIM, durante un día soleado y uno
nublado. El objetivo de ésta fase es establecer que
variable incide en mayor medida con la temperatura
del paño interno de la envolvente.
2.
Fase DOS. Cerramos el vano de la fachada
experimental con la configuración de la envolvente
tipo, pero no colocamos el aislamiento exterior.
Conservamos los instrumentos y la orientación del
módulo en la Fase Uno. Añadimos a tres diferentes
alturas y en cada una de las fachadas interiores
medidores de Temperatura y Humedad Relativa. El
objetivo de ésta etapa es entender cómo se estratifica
la temperatura al interior del módulo en cada una de
las orientaciones posibles.
3.
Fase TRES. En ésta última fase completaremos la
construcción de la envolvente hasta alcanzar el valor
U propuesto en el proyecto. El módulo será sellado
por completo, con la finalidad de no tener pérdidas o
ganancias térmicas por infiltración. Censaremos la
temperatura superficial de la cara interior en cada
una de las fachadas. El objetivo de ésta fase es
determinar el comportamiento final del módulo,
establecer cuál es su gradiente térmico durante las 24
horas del día. Con los resultados obtenidos en ésta
fase tendremos información para determinar la línea
base del comportamiento térmico al interior del
módulo.
Una de las caras verticales tiene un vano en el cual se
pretenden colocar módulos de envolvente Experimental.
Al exterior la Plataforma de Observación cuenta con
instrumentos para medir variables meteorológicas como
Temperatura, Humedad Relativa, Radiación Global, Iluminancia
Global. Los datos se recabaron a cada minuto utilizando un
adquisidor de datos.
La Tabla 1 enlista los equipos utilizados, las variables que
registran y las unidades de medición con las cuales se trabajó
Exterior
TABLA I.
LISTA DE EQUIPOS MONTADOS AL EXTERIOR
Equipo
Marca
Modelo
Parámetro
Unidad
Piranómetro
Kipp &
Zonnen
CMP-21
Radiación
Global
W/m^2
Iluminancia
Global
Klux
Temperatura
del Aire
°C
Humedad
Relativa
%
Presión
Atmosférica
mbar
-
-
Fotómetro
Licor
210-LS
Estación
meteorológica
Vaisala
WXT 520
Adquisidor de
Datos
Campbell
CR-1000
II.
OBJETIVO
Al analizar y correlacionar los datos meteorológicos medidos
al exterior, con los obtenidos en el interior de la plataforma
podremos entender cuál es la incidencia de la Radiación Solar en
la envolvente. y que relación guarda con el aumento o
disminución de temperatura en la cara interior de la capa exterior
de ésta. El aumento de la temperatura interior está en función de
la temperatura del aire exterior, así como de la configuración
térmico-constructiva de la envolvente.
Durante la primera fase de experimentación evaluamos el
efecto térmico que tiene al interior la radiación global que recibe
A. Instrumentación
Para la obtención de datos meteorológicos se montaron
instrumentos de medición al exterior (Ver Tabla 1) conectados a
un adquisidor de datos Campbel CR1000. Se tomaron registros
de todas las variables cada minuto y posteriormente se
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procesaron los datos. El periodo de datos utilizados para éste
documento es del 26 de Febrero al 18 de Agosto de 2015.
1) Día nublado.
Para la primera fase experimental se utilizaron los datos de
Temperatura al exterior, Radiación Global y temperaturas tanto
interior como de la cara interna de la envolvente de los módulos
de experimentación.
Tomando en cuenta el periodo en el cual se obtuvieron datos
para éste estudio, se estableció que el día 28 de Marzo presentaba
las condiciones de mayor nubosidad según se representa en la
gráfica de Radiación Global para ése día.
Para la instrumentación del Módulo de Experimentación se
utilizaron registradores marca HOBO U12 que miden
temperatura y humedad relativa y a ellos se conectó una probeta
sensible a la temperatura, que se colocó en la cara interior del
paño interno de la envolvente.
En la Figura 4, se aprecia el comportamiento de la radiación
global, durante el día, los picos y valles que se observan se deben
a la presencia tanto de nubosidad como de aerosoles en la
atmósfera.
El registrador HOBO se ubicó al centro del espacio tanto en
sentido horizontal como vertical, suspendido mediante un cable
fijo a los postes internos. La intención es evitar el contacto con
los elementos constructivos para así prevenir errores en los
registros. En ambos instrumentos se tomaron mediciones a cada
minuto durante las 24 horas del día. Inicialmente se tomaron
lecturas cada minuto tanto de las variables exteriores como de las
interiores.
Fig. 4. Vista interior del módulo de experimentación.
Fig. 2. Probeta sensible a la temperatura, colocada en el paño interior del muro.
Correlacionamos los registros de Radiación Global con los de
Temperatura de la probeta, obteniendo lo siguiente.
En la Figura 5, se aprecia que la correlación entre la
temperatura de la probeta y la Radiación Global es muy baja
(0.4146), cabe mencionar que sólo se tomaron los datos de
radiación global desde el amanecer y hasta el mediodía solar.
Esto se hizo con la intención de que los registros posteriores al
medio día no interfirieran con la correlación de la temperatura, ya
que lógicamente ésta continuaría estable y la radiación tendería a
bajar normalmente. Esto nos permite afirmar que en un día
nublado la radiación no es determinante para la temperatura de la
cara interior de la envolvente.
Fig. 3. Vista interior del módulo de experimentación.
Conocemos que mediante las distintas capas de aislamiento es
posible mitigar los efectos de la radiación y evitar el
sobrecalentamiento interior. Utilizando las mediciones obtenidos
de ambas plataformas se trabajaron lo datos y se llegaron a los
siguientes resultados.
IV.
ANÁLISIS DE DATOS
A. Primera Fase Experimental
En esta primera Fase, analizamos las correlaciones al evaluar
las distintas mediciones, se analizaron los datos obtenidos en
ambas plataformas (interna y externa). Procesamos los datos
obtenidos durante un día nublado y otro despejado.
Fig. 5. Correlación Temperatura probeta y Radiación Global.
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Realización de la investigación gracias al Apoyo de CONACYT.
Como se muestra en la Figura 6, correlacionamos los
registros de temperatura al interior del módulo, con los de la
temperatura de la probeta, nuestra variable dependiente es la
temperatura de la probeta, es decir la temperatura de la cara
interna de la envolvente. La variable independiente es la
temperatura interna del Módulo de Experimentación.
La
correlación entre estas dos variables es de (0.956), lo cual indica
que en un porcentaje alto depende la temperatura del paño
interior de la temperatura interior del módulo. Con esto podemos
establecer que el aislamiento colocado en la fachada está
cumpliendo su objetivo, evitando el sobrecalentamiento del
módulo debido a la radiación directa en su cara Sur durante un
día nublado.
Fig. 7. Radiación Global 30 de Marzo.
Correlacionamos los registros de Radiación Global con los de
Temperatura de la probeta, obteniendo lo siguiente para un día
despejado.
En la Figura 8, se muestra la correlación que hay entre los
valores de temperatura de la probeta y la Radiación Global
durante el amanecer y hasta el mediodía. La correlación
establecida (0.9107) nos permite inferir que bajo estas
condiciones la temperatura de la envolvente depende en gran
medida de la Radiación Global.
Fig. 6. Correlación Temperatura probeta y temperatura interior.
Utilizando el modelo que arrojan las gráficas de las Figuras 5
y 6, obtuvimos el Error medio cuadrático, se corrió una serie de
datos y los comparamos con los registros obtenidos Los
resultados obtenidos entre lo registrado y lo modelado aparecen
en la siguiente tabla.
TABLA II.
CORRELACIÓN Y ERROR MEDIO CUADRÁTICO DÍA NUBLADO.
Nublado
Temperatura Temperatura Temperatura
Probeta
Interior
Probeta
R^2
R.E.M.C.
R^2
0.956
4.35%
Radiación
Solar
R.E.M.C.
22.83%
Día completo
16.76%
Medio día
0.4146
Fig. 8. Correlación Temperatura Probeta y Radiación Global.
2) Día despejado
Analizando los registros del periodo de estudio, tomamos el
día 30 de Marzo como día despejado ya que al graficar la
Radiación Global la curva se presentaba más estable.
En la Figura 9, correlacionamos la Temperatura interior de
los Módulos de Experimentación con la Radiación Global desde
el amanecer y hasta el mediodía. La correlación observada
(0.9402) afirma la dependencia que presenta la temperatura del
interior con la Radiación Global que recibe cada uno de los
módulos.
En la Figura 7, podemos apreciar que el comportamiento de
la Radiación Global durante el día fue estable, aún con las
variaciones que se aprecian durante el medio día consideramos
éste como un día despejado.
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TABLA III.
CORRELACIÓN Y ERROR MEDIO CUADRÁTICO DÍA NUBLADO.
Despejado
Temperatura Temperatura Temperatura
Probeta
Interior
Probeta
R^2
R.E.M.C.
R^2
Fig. 9. Correlación Temperatura Interior y Radiación Global.
La Figura 10, nos permite ver la correlación (0.9677) que
existe entre la temperatura de la probeta y la temperatura del
interior del módulo. Con éstos resultados podemos inferir que
bajo estas condiciones, la temperatura de la envolvente, en su
paño interior, depende en mayor medida de la temperatura
interna del módulo que de la radiación global que recibe.
0.9677
6.57%
Radiación
Solar
R.E.M.C.
24.52%
Día completo
11.88%
Medio día
0.9107
B. Segunda Fase Experimental
Para ésta etapa modificamos las condiciones del módulo de
experimentación, cerramos la Fachada Experimental. Colocamos
3 sensores de temperatura y humedad relativa HOBO U12 en
cada una de las caras internas, a diferentes alturas. El objetivo de
ésta etapa es analizar la estratificación de la temperatura al
interior del módulo. La primer franja de sensores se colocó a 40
cm de altura con respecto al lecho superior de la estructura
interna, la segunda franja se colocó a 1.50m de altura y la tercera
franja a 2.60 m de la misma referencia.
HOBO
U12
Fig. 11. Alzado tipo cara interior.
Fig. 10. Correlación Temperatura Probeta y Temperatura Interior.
Utilizando los modelos que arrojan las gráficas de las Figuras
9 y 10, establecimos en la Tabla III el Error medio cuadrático
para cada una de las correlaciones. Podemos observar que aun
siendo fuerte la dependencia de la temperatura de la probeta con
respecto a la Radiación Global, es mayor ésta con respecto a la
temperatura interna del módulo, estableciendo esta correlación
como la más acertada para modelar las temperaturas estimadas de
la envolvente durante un día despejado.
En las figuras 12 y 13 se muestra el proceso para la
colocación de los instrumentos. Se programaron los sensores
para tomar registros de temperatura y humedad relativa cada
cinco minutos.
Se conserva el registrador HOBO U12
suspendido al centro del espacio y la probeta sensible a la
temperatura en la cara interior de la fachada Sur. La cara de
experimentación se cierra, y se orienta hacia el Norte.
HOBO
U12
Fig. 12. Registradores ubicados en la fachada Norte.
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Fig. 13. Vista del interior, registradores en muro Oriente y el suspendido al
centro del espacio.
1) Análisis de los diferentes estratos.
Tomamos como referencia las mediciones de Radiación
Global más estables durante el mes de Julio. Analizamos el día
25 ya que éste presenta el comportamiento más uniforme durante
éste periodo (Figura 14).
Fig. 15. Gráfica del Gradiente térmico al interior del módulo, diferentes alturas y
orientaciones para el día 25 de Julio.
5. CONCLUSIONES
Mediante las observaciones trabajadas durante la primera
etapa, podemos concluir lo siguiente: para un día nublado la
temperatura de la cara interior de la envolvente está definida por
la temperatura del aire interior del módulo. La correlación que
existe entre la Radiación Global y la temperatura de la probeta
ubicada en la envolvente resulta muy baja, por lo que bajo éstas
condiciones la energía que recibe el muro no influye en la
definición de su temperatura interna. Durante un día despejado si
podemos apreciar cierta dependencia de la temperatura de la
probeta con respecto a la Radiación Global. Finalmente bajo
condiciones de cielo despejado también depende la temperatura
de la envolvente de la observada al interior.
Por lo tanto, para esta etapa de experimentación podemos
concluir que, mediante los datos observados, el sistema de
aislamiento utilizado en la cara exterior de la envolvente está
cumpliendo con el comportamiento esperado, disipando parte de
la energía que está recibiendo la envolvente.
Fig. 14. Radiación Global para el día 25 de Julio.
En la Figura 15 se muestra el comportamiento térmico de los
diferentes estratos. Están graficados la temperatura máxima,
mínima y promedio del día en cuestión. El análisis térmico
realizado con los datos obtenidos denota una variación de la
temperatura durante las 24 horas. El gradiente térmico al interior
para esta etapa en promedio es de 10°C. La temperatura más
baja registrada al interior se presentó en la fachada Norte y fue de
13.32 °C en el registrador a 0.40 m de altura. La temperatura
más alta se presentó en la fachada Norte, fue de 24.07 °C a 2.60m
de altura.
La temperatura censada al exterior tuvo como máximo
28.05°C, la mínima registrada fue de 10.22°C, el promedio del
día fue de 18.77°C.
El experimento en su fase Dos arroja resultados que indican
que el gradiente térmico aún es mayor a 1°C. Se observan en
promedio una diferencia de 10 °C durante las 24 horas del día, no
se aprecia mucha diferencia en cuanto a las temperaturas
registradas respecto a las orientaciones.
Durante la tercer fase de experimentación se completará la
envolvente y se censarán los valores térmicos al interior.
V.
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