Post on 24-Jun-2020
Parámetros de diseño de la
Chimenea Solar
Juan Carlos León
Tutores:Dra. Helena Coch Roura
Dr. Antonio Isalgué Buxeda
Máster en Arquitectura Energía y Medio AmbienteUniversidad Politécnica de Cataluña
2013
Chimenea solar:
Estudio:
Genera movimiento de aire al interior de edificios amplificando la zona de conforthumano en temperatura y humedad elevadas
Análisis de la en relación a laal modificar variables de configuración utilizando la herramienta de
simulación DesignBuilder.
velocidad del aireque genera
sistema pasivo de acondicionamiento climático
eficiencia del dispositivo
Palabras clave: Chimenea Solar, Ventilación Natural, Confort Térmico, Design Builder, Ventilación
Cruzada.
Estudios existentes se concentran en el desempeño de la chimenea solar de formaautónoma. .Necesidad de información sintetizada que permita al arquitecto
Sin difusión al gremio constructivo
incluir el dispositivo
en el proceso de diseño.
Resumen
Justificación
Definir parámetros de diseño de los componentes principales de la chimenea solar,identificando sus rangos óptimos de dimensionamiento para su máxima eficiencia.
Objetivo General
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
1. Introducción
UPC
Tesina Final de Máster AEM 2013
Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
2. Datos climáticos
100%
Humedad Relativa
90% 80% 70% 60% 50%
40%
30%
SMa
II
V
IV
E
AgAb
E
F Mr
D
N
O
Jn
Jul
20%
05
TS °C
TH °C
10 5 10 15 20 25 30 35 40 45
10%
Zonas de Confort Y Corrección con ArquitecturaGivoni
Simbología
CI
CV
V
IV
II
E
Zona Confort de InviernoZona Confort de VeranoZona Control Posible con VentilaciónZona Control Posible con Inercia en VeranoZona Control Posible con Inercia en InviernoZona Control Posible Refrigeración Evaporativa
CV
CI
Tabasco, México
Sitio para estudio en simulaciones
Clima: Cálido HúmedoVillahermosa, Tabasco, MéxicoLatitud 18° Norte Longitud 92° OesteTemperatura Media Máxima Anual:Humedad Relativa Media Anual:Frecuencia de Viento en Calma:
Ventilación
Disipación de calor:a. Convección en la superficie de pielb. Refrigeración por evapo-transpiración
31,9°C
87%
32%
Datos ClimáticosFuente: Weatherbase
WindfinderCNA México
Estrategia de CorrecciónFuente: Ábaco Psicométrico
de Baruch Givoni
Efectos en el UsuarioFuente: Arquitectura y
Energía Natural. Serra, R. Coch H
UPC
Tesina Final de Máster AEM 2013
Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
3. Estado del Arte
a
b
c
c
c
c
d
e
f
Cerramiento absorbente
Acristalamiento exterior
Aislante térmico
Absorbente de radiación
Entrada de aire
Salida de aire
Acumulador de energía
Captación de radiación solar
Evitar flujo de calor fuera de la cámara
Recubrimiento de color negro
Permitir flujo hacia el interior de la chimenea
Permitir flujo hacia el exterior de la chimenea
Esquema Chimenea SolarSección Norte a Sur
Interior
Exterior
a
b
c
d
e
f
g
h
Nomenclatura
Prototipo de Chimenea Solar
InvestigaciónArce, J.
Jiménez, M.J.Guzmán, J.D.
Fuente:
Elsevier
Radiación Solar
Flujo de Aire
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Autor:
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Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
4. Criterio de materiales y dimensiones
Chimenea Solar y HabitaciónSección Sur a Norte
0 50 100 200 cms
a
b
c
d
Criterio de materiales
0,7
0,3
0,3
0,8
Acristalamiento sencillo vidrio 6mmTransmitancia:
Cerramiento convencional de block hueco dehormigón de 12 cms con mortero de 1,5 cms deespesor y recubrimiento pintura blancaAbsortancia térmica:
Cubierta de hormigón armado de 12 cms conrecubrimiento de mortero de 7 cms yrecubrimiento de impermeabilizante blancoAbsortancia térmica:
Partición de block hueco de hormigón de 12cms con mortero de de 1,0 cms y recubrimientode pintura negra cara interior. Aislante térmicode 1,0 cms, mortero de 1,0 cms y recubrimientode pintura blanca por superficie exterior.Absortancia térmica interior:
a
b
c
c
c
d
Habitación
Chimenea
Solar
UPC
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Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
Chimenea Solar y HabitaciónSección Sur a Norte
0 50 100 200 cms
HS
Z105
Z105
NPN
NPN
HEHM
CA
T
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
5. Nomenclatura de variables
T
CA
HE
HM
HS
Nomenclatura de variables
Torre de ChimeneaL: 100 x A: 30 x H: 300
Cámara de ChimeneaL: 100 x A: 30
Hueco de Entrada de AireL: 100 x H: 30
Hueco Medio en partición de HabitaciónL: 100 x H: 30
Hueco de Salida de AireL: 100 x A: 30
Punto de Cálculo a altura del usuarioZ: 105 sobre el nivel del suelo
Nivel de Presión NeutroH: 150
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Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
6. Esquemas de variables
Altura de Torre ( )T
Relación Hueco Entrada - Salida ( )RHES
Posición Torre ( )PT
Renders: DesignBuilder: 19.07 14:00 hrs
Ancho de Cámara ( )CA
Posición Hueco Entrada ( )PHE
Posición Torre + Hueco Entrada ( )PTHE
Variables
T
CA
RHES
PHE
PT
PTHE
Incrementar la altura de la torre en rangos de50 cms hasta llegar a 600 cms
Incrementar el ancho de la cámara en rangos de10 cms a partir del modelo de referencia
Ampliar y reducir el hueco de entrada enrelación al hueco de salida HS
Desplazar verticalmente el hueco de entrada HEen rangos de 30 cms
Desplazar verticalmente el cuerpo completo dela torre en rangos de 30 cms
Desplazar verticalmente la torre T)y el hueco deentrada HE en rangos de 30 cmssimltáneamente
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Autor:
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Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
300 350 400 450 500 550 600
Ve
loci
da
d(m
/s)
Altura de Torre (cms)
Altura de Torre (T)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
30 40 50 60 70 80
Ve
loci
da
d(m
/s)
Ancho de Cámara (cms)
Ancho de Cámara (CA)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Ve
loci
da
d(m
/s)
Alto de Hueco Exterior HE (cms)
Relación Hueco Entrada : Hueco Salida
(RHES)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
+15 +45 +75 +105 +135 +165 +195 +225
Ve
loci
da
d(m
/s)
Distancia del Suelo HE (cms)
Posición de Hueco Entrada (PHE)
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
7. Análisis de simulaciones en gráficas
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
+15 +45 +75 +105 +135 +165 +195
Ve
loci
da
d(m
/s)
Distancia del Suelo Torre (cms)
Posición Torre (PT)
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
+15 +45 +75 +105 +135 +165 +195
Ve
loci
da
d(m
/s)
Distancia del Suelo T + HE (cms)
Posición Torre y Hueco Entrada (PTHE)
Z105
HE
Torre (T)
Cámara (CA)
Relación Hueco Entrada Salida (RHES)
Posición Hueco Entrada (PHE)
Posición Torre (PT)
Posición Torre y Hueco Exterior (PTHE)
Aumentar la altura de la torre incrementasustancialmente la velocidad de aire hasta un
al duplicar su altura
Ampliar la cámara en la velocidad deaire interior
Reducir el Hueco de Entrada incrementa lavelocidad de aire entrante hasta un
Desplazar el HE a una altura próxima al puntode cálculo Z105 la velocidad de aireen ese punto.
Desplazar la torre verticalmente en lavelocidad de aire interior.
Desplazar T y HE a la altura del punto de cálculoZ105 sustancialmente la velocidad deaire en ese punto.
77%
no incide
100%
incrementa
no incide
aumenta
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Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
8. Resultados reflejados en modelos CFD
T300
HE10
PT30
HE100
PT195
PHE75
PTHE00
PHE210
PTHE195
CA80T600 CA40
CFD eje x : DesignBuilder: 19.07 14:00 hrs
Torre )(T
Hueco Entrada ( )HE
Posición Torre ( )PT
Cámara ( )CA
Cámara (CA)
Posición Torre + Hueco Entrada ( )PTHE
Comentario:
Z105
Altas velocidades de entrada con unadistribución deficiente puede lasaportaciones de la chimenea solar al conforttérmico de los usuarios.
El entre velocidad ydistribución impacta en el punto de cálculo
a la altura del usuario.
1.
2.
anular
equilibrio del sistema
UPC
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Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
T CA RHES PHE PT PTHE
Ve
loci
da
d(m
/s)
Variables
Incremento Máximo de Velocidad por Variable
Z105
HE
Clave Nomenclatura
Z105 HE
T Altura de Torre 0.19 1.08
CA Ancho de Cámara 0.21 0.61
RHES Relación Hueco Entrada : Hueco Salida 0.26 1.20
PHE Posición de Hueco Entrada (Eje vertical) 0.29 0.64
PT Posición de Torre (Eje vertical) 0.19 0.63
PTHE Posición de Torre y Hueco Entrada (Eje vertical) 0.28 0.62
Velocidad del Aire (m/s)
Incremento máximo de velocidad por variable
Clave Descripción
Distribución Velocidad
T Altura de Torre Muy bajo Alto
CA Ancho de Cámara Bajo Muy bajo
RHES Relación Hueco Entrada : Hueco Salida Alto Muy alto
PHE Posición de Hueco Entrada (Eje vertical) Muy alto Bajo
PT Posición de Torre (Eje vertical) Muy bajo Bajo
PTHE Posición de Torre y Hueco Entrada (Eje
vertical)
Alto Bajo
Evaluación de Impacto de Variables
Impacto
Variables Incidentes
RHES
T
PHE
PTHE
RHES
Velocidad:
a. Relación Hueco Entrada y Salidab. Altura de Torre
Distribución:
a. Posición Hueco Exteriorb. Posición Torre y Hueco Entradac. Relación Hueco Entrada : Salida
HS
T
CA
HE
0 200
HM
1
2
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
9. Análisis de resultados por variable
UPC
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Chimenea Solar y HabitaciónSección Sur a Norte
1
NPN
Mover
Mover
90% Máx
1 a 1.5 x
X
1 : 3
Z105
2
3
4
0
NPT 0.00
cms50 100 200
Parámetros de Diseño:
HE
75 a 90%
HE
tercera
parte
T
1.5
HM
HE
El hueco de entrada de aire deberádesplazarse a una altura de entre de laaltura total del punto que sea nuestro objetivo aventilar.
La superficie del hueco de entrada deberáajustarse de manera proporcional a una
de la superficie de salida HS.
La altura total de la torre incrementasustancialmente la velocidad de aire, el rangomás eficiente de operación es cuando su alturaes igual o veces la distancia entre los huecosde la habitación.
Desplazar la altura de la torre T o del huecomedio hasta hacerla coincidir con la alturade previamente ajustado, optimizará sufuncionamiento.
11
2
3
4
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
10. Parámetros de diseño
UPC
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Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
Chimenea Solar y HabitaciónSección Sur a Norte
1
NPN
Posición Máxima
Límite Máx
HS HE>
Proporción Horizontal
Z105
2
3
0
NPT 0.00
cms50 100 200
Restricciones de Diseño:
NPN
HE
2 a 1
HS
Los huecos HE y HM no deben rebasar la alturadel ( ya quereduce su velocidad y distribución al reducir lasdiferencias de presión.
La proporción del hueco de entrada no debeexceder la relación entre su base y sualtura. Más vertical menos eficiencia.
La superficie del hueco de salida no deberáser menor a la superficie del hueco de entradaHE, ya que reduce drásticamente la velocidad.
Nivel de Presión Neutral)
1
2
3
HE Proporción verticalContraflujo Exterior
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11. Restricciones de diseño
UPC
Tesina Final de Máster AEM 2013
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Chimenea Solar y HabitaciónSección Sur a Norte
Render: Modelo Final (MF)
Fachada Sur09.01 14:00 hrs
Nota:Clave Descripción
Base Alto Nivel
T Torre 100 450 +90
CA Cámara 100 30
HE Hueco de Entrada 100 10 +90
HM Hueco Medio 100 30 +90
HS Hueco de Salida 100 30 +540
Z105 Punto de Cálculo : Altura del Usuario +105
Configuración de Modelo Final
Dimensiones (cms)
HEHM
HS
0 cms50 100 200
1
2
3
Ajuste de Variables
HE T +90
HE tercera parte
T 1.5
Desplazar el y a una altura de cms.respecto al suelo
Reducir la abertura de en unade su superficie
Aumentar la altura de en veces la distanciade los huecos interiores de la habitación
La base o ancho de todos los huecos se mantiene en 100cms, los cambios a la superficie de los huecos se aplica ensu altura.
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
12. Modelo Final de Comprobación (MF)
Parámetros de diseño de la Chimenea Solar
13. Análisis de resultados de Modelo FinalClave Nomenclatura Variación
MR MF %
Z105 Punto de Cálculo: Altura del Usuario 0.19 0.46 247.31
HE Hueco de Entrada de Aire 0.61 1.56 256.16
Comparativo del Modelo de Referencia al Modelo Final
Velocidad del Aire (m/s)
Modelo Final
CFD Seccíon Sur a Norte09.01 14:00 hrs
Resultados Comparativo
Z105 HE MF
250%
HE
1.56 m/s
Z105 0.46 m/s
La velocidad del aire calculada en los puntosy del modelo final aumentó en unrespecto al modelo de referencia MR
Los valores de velocidad de viento en secalcularon en y el valor calculado en laposición del usuario es de
1
2
Modelo Final
CFD 3D Velocidad de viento09.01 14:00 hrs
La velocidad más alta se registra en el HE y elflujo de aire presenta una morfología de tipocónica, con una tendencia ligeramenteascendente.
Nota:
0.00
0.50
1.00
1.50
Z105 HE
Ve
loci
da
d(m
/s)
Variables
Comparativo del Modelo de Referencia (MR) al ModeloFinal (MF)
MR
MF
HEZ105
UPC
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Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué
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14. Referencias al Confort Térmico
Referencias Confort Térmico
28°C
Velocidad de aire de entrada de , similara la producida por un abanico de techo de usoconvencional.
Velocidad promedio interior de , quepuede interpretarse como reducción deen la sensación térmica del ser humano. (RafaelSerra).
Implantando la velocidad promedio deen la gráfica bioclimática de Víctor Olgyayestablecer una ampliación de la zona de confortde a
1,5 m/s
1,01 m/s
3,4°C
1,01 m/s
30,2°C.
1
2
3
48.9
43.3
32.2
Zona de Confort
Límite de Viento y Humedad
Humedad Relativa (%)
Gráfica Bioclimática
Víctor OlgyayTe
mp
era
tura
Se
ca e
n °
C
Línea de Congelación
Línea de Sombra
Golpe de Calor
Viento
m/s0.5
1.021.522.032.543.0526.7
21.1
15.6
10
4.4
-1.1
-6.7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
37.8
UPC
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Autor:
Tutores:
Juan Carlos LeónDra. Helena Coch, Dr. Antonio Isalgué