Se ha desarrollo de un modelo de simulación del comportamiento térmico de cerramientos de edificios en condiciones ambientales reales que considera con rigurosidad las condiciones ambientales reales de los edificios, con especial atención a los fenómenos de soleamiento e irradiación infrarroja, y permite el análisis térmico de fachadas y cubiertas con cualquier inclinación y composición constructiva. Los resultados obtenidos son las temperaturas y flujos de calor generados durante un ciclo diario.

El modelo de simulación se ha formalizado en una aplicación informática denominada TRASDOS, integrada por varios programas modulares desarrollados en Visual Basic para Windows. Este programa, además de permitir la predicción del comportamiento térmico de cualquier cerramiento, se ha utilizado como herramienta de verificación de los algoritmos de cálculo desarrollados por el autor.

Se ha comprobado la excelente bondad del modelo de simulación contrastando los resultados analíticos con las mediciones realizadas sobre diferentes tipos de cubiertas, las cuales fueron monitorizadas en un módulo experimental a escala real y sometidas a condiciones exteriores de verano con un ambiente interior climatizado. Como complemento, se han obtenido interesantes datos reales sobre el comportamiento térmico de 6 tipos diferentes de cubiertas protegidas. 

En el caso que no se disponga de datos detallados de las condiciones ambientales reales, el modelo de simulación tiene capacidad para estimarlos a partir de unos pocos parámetros estadísticos.

El modelo de simulación también considera los parámetros físicos del cerramiento, tanto en sus superficies exterior e interior (radiación y convección) como en su interior (resistencia y capacidad térmica). Además, para la aplicación generalizada del modelo de simulación puede considerar los cerramientos con cualquier inclinación (desde fachadas a cubiertas) y con cualquier estructura interna (cerramientos heterogéneos).

Se ha desarrollado un nuevo método de cálculo que considera la transmisión de calor en régimen transitorio de los procesos de conducción y acumulación del calor a través del cerramiento, y de intercambio de calor entre las superficies del cerramiento y el ambiente exterior o interior, fundamentado en el método de Krank-Nicolson y modelos físicos contrastados. El modelo de simulación se ha desarrollado mediante un programa informático en un entorno interactivo y transparente para el usuario, aprovechando al máximo todos los recursos actualmente disponibles en los ordenadores convencionales.

   Los resultados del proceso de simulación muestran la historia diaria del comportamiento térmico del cerramiento: temperaturas de las superficies y de cada punto del interior del cerramiento, los diferentes flujos de intercambio de calor entre las superficies del cerramiento y el entorno, y los flujos de conducción y acumulación de calor en cada punto del cerramiento.

El modelo de simulación ha sido desarrollado con dos fines paralelos, en función del tipo de datos de partida con que se aplique, tal como se infiere de la Hipótesis de Hempel:

Explicar X es predecir X después de que ocurra

La segunda finalidad del modelo de simulación es la predicción del comportamiento térmico de los cerramientos mediante su utilización como herramienta de diseño, una vez verificado, para determinar el comportamiento térmico de diferentes tipos de cerramientos sometidos a condiciones ambientales de proyecto. En este caso, las condiciones ambientales y del cerramiento admiten una mayor tipificación y estandarización, que pueden ser determinadas a partir algoritmos de predicción a partir de unos pocos datos fundamentales.

Se quiere destacar que el concepto de comportamiento térmico, tal como es empleado en esta investigación, es mucho mas extenso que el determinado por los métodos de cálculo tradicionales, que se suelen limitar a cuantificar la carga térmica máxima aportada al local, ya que la finalidad del modelo de simulación es ofrecer resultados detallados de cada instante de un ciclo diario, tanto de las temperaturas como de los flujos de calor en cada punto de la superficie e interior del cerramiento, desglosado los mecanismos de radiación, irradiación, convección, conducción y acumulación.

La finalidad fundamental del modelo experimental ha sido la verificación del modelo de simulación, pero es indudable que los propios resultados de los ensayos en condiciones reales han tenido aplicación directa como análisis de los parámetros climáticos durante toda la campaña y el estudio del comportamiento térmico del cerramiento experimental, ensayado con diferentes configuraciones constructivas, en comparación con un cerramiento de referencia.

El módulo experimental se formalizó en un local climatizado, en cuya cubierta plana se han delimitado dos zonas con sensores de temperatura en las superficies y diferentes puntos de su interior: una zona de referencia o cubierta testigo constituida por un forjado base impermeabilizado, y otra zona o cubierta experimental constituida por el mismo forjado base y al que sucesivamente se le han superpuesto los diferentes elementos constructivos de protección de las 7 cubiertas que han sido ensayados: Sin protección, Albeada, Inundada, 5 cm de Grava, 10 cm de Picón, Invertida y Convencional pesada.

El comportamiento térmico de los cerramientos reales depende fundamentalmente del intercambio de calor por radiación, irradiación y convección entre un ambiente y la superficie del cerramiento, y por la conducción y acumulación de calor en el interior del cerramiento. No se han considerado determinados mecanismos de transferencia de calor por fenómenos de transferencia de masa, (calor sensible), cambio de estado del agua (calor latente), ni el caso de cerramientos transparentes.

El modelo de simulación basado en el método de Crank-Nicolson es un modelo matemático de transmisión de calor unidireccional por diferencias finitas espacio-temporales, siendo idóneo para cerramientos planos de espesor constante, se ha descartado la geometría tridimensional por exigir un desarrollo por elementos finitos de excesiva complejidad. Se han considerado ciclos diarios, adecuados para el estudio del comportamiento térmico en condiciones ambientales reales (0:00-24:00 horas), con un intervalo (incremento temporal) típico de 15 minutos que permite una excelente resolución de 96 datos diarios.

Como horizontes de la investigación se pretende desarrollar un modelo de simulación específico para huecos acristalados con una estructura similar a la presente investigación. Además, hay que destacar que el carácter estructurado y modular del programa de simulación, que permitirá desarrollar con gran facilidad modelos alternativos adaptados a modelos físicos atípicos, como los casos de fuentes o sumideros en su interior (sales eutécticas), aislamiento variable, ciclos de varios días e incluso cerramientos semi-transparentes (absortancia variable, muro Trombe, etc.).

El objeto de la investigación se adapta perfectamente al método científico, de manera que a partir hechos reales o modelos físicos contrastados se propone una hipótesis, en este caso integrada en un modelo de simulación, que una vez verificada mediante la correlación con un modelo experimental de lugar a la tesis. El proceso de sistemático de elaboración de la tesis se sintetiza en una serie de etapas lógicas que se han desglosado con misma estructura que sus capítulos:

Las principales fuentes bibliográficas utilizadas se describen en el apartado de Bibliografía y tratan de una amplia gama de disciplinas teóricas y aplicadas, destacando las siguientes:

• Física de la transmisión del calor, con numerosos tratados.

• Radiación solar e irradiación infrarroja, con numerosas referencias de Solar Energy.

• Tratados de calefacción y refrigeración, especialmente los publicados por ASHRAE.

• Normas técnicas, con especial referencia a la NBE-CT-79.

• Tratados de construcción.

• Clima, ambiente y confort.

• Arquitectura solar, pasiva o bioclimática.

• Instrumentación e informática.

Como aportación específica de esta tesis se ha desarrollado el Método de Crank-Nicolson por diferencias finitas para los casos de capas superficiales con radiación y cerramientos heterogéneos planos con cualquier configuración interna (espesor, densidad, calor específico y conductividad de cada capa), considerando incluso la existencia de cámaras de aire. Por último se describe una metodología de cálculo adecuada para su tratamiento por ordenador.

Se ha desarrollado la metodología analítico-experimental y los algoritmos de calculo de la Ecuación unificada del coeficiente de convección mixta h, que consta de una componente de convección natural en función de la dirección del flujo y el salto térmico, mas una componente de convección forzada expresada en dos ecuaciones alternativas para vientos de baja y alta velocidad mas una variante para superficies en remansos. El conjunto está además afectado por un coeficiente de rugosidad y excluye la influencia de la irradiación

Se ha desarrollado una metodología de cálculo del flujo instantáneo de la radiación solar sobre superficies con cualquier inclinación y orientación, a partir de datos de latitud, fecha, coeficiente de insolación (horas de sol real/teóricas), humedad atmosférica, altura del horizonte real (obstrucciones solares) y reflectancia del entorno, a partir de las ecuaciones del movimiento aparente del sol y de varios modelos de transparencia atmosférica debidamente contrastados. Los resultados obtenidos consisten en la intensidad de la radiación solar en sus componentes directa, difusa y reflejada durante un ciclo diario.

Como aportación original de esta tesis se ha desarrollado un método para determinar la emitancia aparente del entorno que calcula la amplitud de la ventana visible del cielo y del entorno bajo cualquier horizonte real desde una superficie con cualquier inclinación y orientación, y realiza una ponderación hemisférica del sector visible del terreno con una emitancia unidad y del sector visible del cielo con una emitancia direccional variable, esta última en función del ángulo cenital, el contenido de humedad de la atmósfera y la nubosidad.

Se ha desarrollado la metodología para estimar todos los parámetros del entorno y del cerramiento, sintetizada en los siguientes programas informáticos:

• TDIARIA para estimar la temperatura exterior media en cualquier día del año y la temperatura instantánea a cualquier hora del día.

• VRUIDIA estima la velocidad media del viento local y la velocidad instantánea en cualquier momento del día considerando rachas seudo-aleatorias.

• ISOLDIA estima la intensidad de la radiación solar directa, difusa y reflejada sobre una superficie inclinada en cualquier instante de un día parcialmente nuboso.

• HORIZON estima la emitancia media del entorno visible desde una superficie inclinada considerando el horizonte real y la emitancia direccional del cielo.

• TEMPINI estima las temperaturas iniciales del interior del cerramiento.

Como aportación específica de este trabajo se ha desarrollado un modelo de simulación que integra los algoritmos de transmisión de calor y de estimación de parámetros de cálculo desarrollados en capítulos anteriores. El modelo de simulación se ha formalizado en el programa informático TRASDOS, desarrollado en un lenguaje de alto nivel controlado por eventos y orientado a objetos en un entorno gráfico (Visual Basic para Windows), y que controla varios programas modulares con una estructura transparente:

• TRASDOS: Módulo principal que ejecuta los algoritmos de cálculo. Gestiona la entrada de datos y salida de resultados en forma de ficheros de bases de datos. Controla los restantes módulos complementarios.

• AMBEDIT: Analiza, edita y crea bases de datos de condiciones ambientales AMB.

• CERREDIT: Analiza, edita y crea las bases de datos de tipos de cerramiento CER.

• FUJOTEMP: Analiza bases de datos de temperaturas interiores TEST, TREF y TDIF.

• FLUJOEXT: Analiza las bases de datos de flujos térmicos superficiales FEXT.

• FLUJOINT: Analiza las bases de datos de flujos térmicos interiores FINT.

• ENTORNO: Analiza las obstrucciones solares y la emitancia aparente del entorno.

En conclusión, el programa TRASDOS es una aplicación integral de cálculo y gestión de datos, interactiva y multitarea. Los módulos complementarios son ejecutables como programas independientes para el análisis y edición de las bases de datos. Las bases de datos sistematizan los datos y resultados mediante matrices con un formato normalizado y permite su archivo en ficheros secuenciales MS-DOS, editables con numerosos programas de cálculo y tratamiento de textos.

Para validar las hipótesis del modelo de simulación se creó ex novo un local experimental climatizado con un forjado con mas de 19 sensores de temperatura, con una zona testigo y otra zona experimental en la que sucesivamente se instalaron 5 sistemas diferentes de protección de cubiertas y también se estudió una cubierta convencional.

El módulo se monitorizó en una campaña que duró 34 días, con tomas de datos con un data-logger cada 15 minutos de 20 parámetros simultáneos de temperatura exterior e interior, viento, intensidad solar directa y difusa, además de temperaturas de las diferentes cubiertas a varias profundidades, utilizándose sensores de platino con precisión 0.1% (0.1ºC). El local se climatizó bajo control del ordenador con una ventilación constante y se mantuvo a una temperatura media de 22.0 ºC.

Se ha aplicado una metodología científica para la comprobación una amplia gama de ensayos, que se sintetiza en las siguientes pruebas:

• Una cubierta testigo en diferentes condiciones ambientales extremas.

• Diferentes secciones de una cubierta testigo en las mismas condiciones ambientales.

• Diferentes protecciones de una cubierta experimental, y comparación con la cubierta testigo de referencia, en diferentes condiciones ambientales.

• Diferentes bases de datos ambientales estimados con climas extremos.

En todos los casos analizados se ha destacado la excelente correlación entre los datos estimados y medidos, con un margen de error inferior al previsible considerando la precisión de los instrumentos utilizados. Se han justificado plenamente las divergencias puntuales observadas, documentándose las correcciones realizadas en las bases de datos ambientales y del cerramiento para justificar las diferentes hipótesis.

Se han determinado con precisión las propiedades térmicas de las diferentes configuraciones de cubiertas ensayadas, creándose las correspondientes bases de datos, destacando el estudio exhaustivo bi-dimensional de la cubierta testigo. Se ha analizado el comportamiento térmico de las diferentes protecciones de la cubierta experimental, valorando su idoneidad para el acondicionamiento ambiental pasivo en verano.

También se ha creado una amplia base de datos ambientales y temperaturas de cubiertas protegidas, con parámetros exhaustivos de 34 días consecutivos de verano, y se ha verificado la bondad del Editor de Ambiente para simular bases de datos ambientales a partir de unos pocos parámetros característicos, que permite la creación de condiciones ambientales de proyecto paramétricas.

Como conclusión final, se ha demostrado la bondad del modelo de simulación para estimar las temperaturas resultantes en cerramientos convencionales sometidos a condiciones ambientales reales.