Tesis:
Comportamiento térmico del vidrio radiante en la envolvente acristalada : caracterización y simulación experimental
- Autor: LA FERLA, Giuseppe
- Título: Comportamiento térmico del vidrio radiante en la envolvente acristalada : caracterización y simulación experimental
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE ARQUITECTURA
- Departamentos: CONSTRUCCION Y TECNOLOGIA ARQUITECTONICAS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69623/
- Director/a 1º: ACHA ROMAN, Consolación Ana
- Director/a 2º: ROSET CALZADA, Jaime
- Resumen: Actualmente la mayoría de los edificios de uso terciario cuentan con fachadas con una elevada proporción de superficie acristalada. Desde los primeros años del s. XX este tipo de fachada se ha convertido en un signo de identidad y expresión de modernidad arquitectónica. En los últimos años su desarrollo técnico se ha centrado en nuevas generaciones de fachadas activas y adaptativas, definidas por sistemas multifuncionales donde diferentes parámetros actúan modificando sus características y propiedades físicas según las necesidades de los usuarios y del entorno. Las fachadas totalmente acristaladas tienen un impacto significativo en el confort térmico de los ocupantes. Diferentes estudios han investigado las condiciones del ambiente térmico interno, analizando las ganancias y la asimetría térmica entre la envolvente y los ocupantes en diferentes condiciones. Por otra parte, los edificios con uso principalmente administrativo (oficinas), tienen espacios con altas cargas internas y cuando están ubicados en la zona climática mediterránea continental no tienen una alta demanda de calefacción durante la mayor parte de la estación fría. Teniendo en cuenta todo esto, se plantea que la incomodidad causada por la asimetría térmica podría ser abordada por un sistema de muro cortina de tipo tradicional equipado con tecnología de vidrio radiante eléctrico (VR), que actúa como un sistema de calefacción radiante totalmente integrado en la fachada y que adapta su comportamiento térmico a las condiciones climáticas del entorno y a los requisitos de los ocupantes. En esta tesis se ha investigado el comportamiento de la fachada equipada con tecnología de VR en condiciones reales de funcionamiento. La metodología utilizada ha comprendido la definición de un modelo teórico basado en los conceptos básicos de la transferencia del calor en fachadas acristaladas y el diseño de un protocolo de simulación. Asimismo, se ha definido un modelo experimental y se ha llevado a cabo una campaña de experimentación con dos módulos idénticos, durante un largo período de monitorización y en las mismas condiciones de entorno, proveyendo las dos fachadas, una con acristalamiento estándar de doble vidrio (como módulo de referencia) y dispositivo de calefacción independiente, y la otra con acristalamiento de vidrio radiante (como módulo prototipo de ensayo), utilizándose además como sistema de calefacción integrado. Se han estudiado los resultados obtenidos en la experimentación evaluando el comportamiento térmico de las dos fachadas y las condiciones del bienestar térmico en los dos módulos. Este análisis se ha desarrollado utilizando una metodología comparativa que estudia el comportamiento termodinámico de los vidrios y de toda la envolvente, la temperatura operativa y del aire, la asimetría térmica y radiante, los índices empíricos y los niveles de bienestar térmico, evaluando la distribución local de estos valores en todo el perímetro de los módulos. También se ha validado el modelo teórico y las simulaciones realizadas, por los resultados obtenidos en la experimentación. Esta metodología ha permitido verificar que la tecnología de VR puede utilizarse como sistema de calefacción totalmente integrado en la fachada, modificando su comportamiento térmico de manera independiente a las condiciones climáticas de entorno. Igualmente se ha demostrado que permite mantener los valores de temperatura radiante media exigidos por las normativas y que garantiza su distribución uniforme a lo largo de todo el perímetro de la fachada, independiente de las temperaturas externas. Se ha demostrado que la utilización del VR baja la asimetría de los planos radiantes y que mantiene una distribución local uniforme de los índices empíricos del confort en todo el perímetro interior, así como que permite disminuir la temperatura operativa sin reducir los niveles de bienestar térmico exigidos por la normativa. Finalmente, se han evaluado las posibilidades futuras del VR aplicado a la envolvente tecnológica para abordar en nuevas líneas de investigación sus potencialidades en el uso combinado con otras tecnologías que podrían permitir, por ejemplo, la utilización de fuentes de energía renovable a la luz de las nuevas exigencias de autoconsumo y de consumo nulo. En este contexto se han evidenciado también los límites y las mejoras potenciales ligadas a su consumo energético para satisfacer la mejora energética que requieren los edificios de consumo nulo. ----------ABSTRACT---------- Nowadays, most commercial buildings have full glazed facade. Since the early 20th century, this type of facade has become a sign of identity and expression of architectural modernity. In recent years, technical development has focused on a new generation of active and adaptive facades, defined by multifunctional systems where different parameters control and modify their performance and physical behaviour according to users’ requirements and environmental conditions. Full glazed facades have a significant impact on the thermal comfort of the occupants. Several studies have investigated indoor environmental conditions, analysing thermal loads and long-wave radiant asymmetry between the envelope and the occupants, under different conditions. On the other hand, buildings for administrative use (offices) have spaces with high internal loads. When they are located in the Continental Mediterranean climate zone they do not have a high demand for heating during most of the cold season. Taking all this into account, this thesis proposes that discomfort caused by this thermal asymmetry could be addressed with a commercial glazed curtain wall equipped with electric radiant glass (VR) technology, which acts as a radiant heating system integrated into the façade and that adapts its thermal behaviour to the outdoor climatic conditions and to occupants’ requirements. In this thesis, the performance of a glazed facade equipped with VR technology in real operating conditions has been investigated. The methodology used has included the definition of a theoretical model focused on the basic concepts of heat transfer in glass facades and the design of a simulation protocol. Furthermore, an experimental model has been defined and an experimentation campaign has been carried out with two identical cells during a long period of monitoring and under the same environmental conditions. One of the cells is equipped with a standard double glazing unit (as reference) and an independent HVAC system, and the other one with VR (as prototype), also working as integrated heating system. The experimental results have been investigated by evaluating the thermal performance of the two facades and the indoor thermal comfort conditions in the cells. This analysis has been developed using a comparative methodology that studies the thermodynamic behaviour of the glass and the entire envelope, the operative and air temperature, the thermal and radiant asymmetry, the indices of indoor thermal comfort levels, assessing the local distribution of these values even along the perimeter zone of the cells. Also the theoretical model and the simulations carried out have been validated by the results obtained in the experimentations. This methodology has allowed verifying that VR technology can be used as a fully integrated heating system in the facade, modifying its thermal performance independently to outdoor climatic conditions. The study has also demonstrated that the VR maintain the required levels of mean radiant temperature and guarantee its uniform distribution along the perimeter zone in higher-glazed facades independently to outdoor climatic conditions. The thesis demonstrates that the use of VR reduces the radiant plane asymmetry and that it maintains a uniform local distribution of indoor thermal comfort index levels along the perimeter zone and it has also been verified that ambient and operative temperatures can be lowered while maintaining the required thermal comfort levels according to the local and international standards. Finally, the forthcoming potentiality of VR integrated into the technological envelope has been evaluated to address in future research works its possibilities in combined use with other technologies that could allow, for example, the use of renewable energy sources in the light of the new demands for energy self-consumption and nearly zero-energy buildings. In this context, the limits and potential improvements related to its energy consumption have also been evidenced in order to meet the energy improvements required by buildings with nearly zero-energy consumption.