15
Abril
2019

Casa AMX

Análisis CFD de condiciones internas con suelo radiante

Casa AMX
Ubicación: Chihuahua, México
Año: 2009
Proyecto arquitectónico: Sergio Garza Arquitectos
Análisis CFD: Arturo Ordoñez (Sol-Arq)
Proyecto de climatización: Miguel Rivera y Oscar Reyes

Como parte de un estudio orientado a mejorar el desempeño energético y ambiental de una vivienda unifamiliar proyectada en Chihuahua, llevamos a cabo un análisis mediante simulaciones de dinámica computacional de fluidos (CFD) con el programa DesignBuilder. El objetivo principal fue evaluar las condiciones de confort que podían conseguirse con un sistema de calefacción y refrigeración mediante suelo radiante. Además, el análisis debía comprobar las temperaturas de diseño para la superficie del suelo, de acuerdo con las propiedades arquitectónicas de la vivienda y las características del clima.

RESULTADOS MÁS IMPORTANTES:
Los resultados del estudio indican que un sistema de climatización mediante suelo radiante puede ofrecer excelentes condiciones de confort, al menos en el caso de la vivienda objeto de estudio. Por otro lado, encontramos que las temperaturas de diseño adecuadas para las superficies de los suelos serían de alrededor 20ºC en modo refrigeración y de 30ºC en modo calefacción.


Definición de las simulaciones CFD

Previo al análisis CFD desarrollamos un estudio paramétrico para evaluar y mejorar el desempeño energético de la vivienda, incluyendo aspectos como la composición de los cerramientos, el uso de dispositivos de sombreado en las ventanas principales y el aprovechamiento de la ventilación natural como estrategia de enfriamiento pasivo. En dicho estudio también se empleó el programa DesignBuilder.

Una vez definidas las soluciones de diseño más adecuadas, con el mismo modelo geométrico llevamos a cabo las simulaciones CFD. El análisis se centró en el área de estar de la planta baja, considerado el espacio más representativo de la vivienda. Las condiciones de límite CFD, como las temperaturas superficiales interiores, se importaron desde una simulación efectuada con el módulo EnergyPlus de DesignBuilder:

  • En las simulaciones para verano se consideró una temperatura superficial interior de 27.4 ºC para los muros externos, el techo y los muros interiores, y de 30 ºC para las ventanas.
  • En las simulaciones para invierno se consideró una temperatura superficial interior de 19.0 ºC para los muros externos, 20.0 ºC para el techo y los muros interiores, y de 15 ºC para las ventanas. En este último caso se hace una excepción para el ventanal del muro este, al cual se le asigna una temperatura superficial interior de 18.5 ºC (debido a que el ventanal ha recibido radiación solar durante la mañana, elevando su temperatura).

El momento seleccionado para el análisis correspondiente al verano fue el 19 de junio a las 12:00 horas, un día con condiciones típicamente cálidas (en el momento de análisis se tiene una temperatura exterior de 36.7 ºC). El momento seleccionado para el análisis correspondiente al invierno fue el 13 de enero a las 12:00 horas, un día con condiciones típicamente frías (en el momento de análisis se tiene una temperatura exterior de 3.6 ºC).

Dado que se requería evaluar el efecto de diferentes temperaturas superficiales de los suelos radiantes, tanto en verano como en invierno, se efectuaron en total 6 simulaciones CFD:

  • Opciones de verano, temperatura superficial del suelo = 10, 15 y 20 ºC.
  • Opciones de invierno, temperatura superficial del suelo = 25, 30 y 35 ºC.

Resultados

Los resultados de las simulaciones CFD se muestran en las Figuras 1A a la 1C (verano) y 2A a la 2C (invierno). Se trata de gráficas de distribución espacial de la temperatura operativa en planos verticales ubicados en la parte central de la zona analizada. Se observa, como es lógico, que en la región inferior del espacio la temperatura operativa se ve más afectada por la temperatura superficial del suelo.

RESULTADOS PARA VERANO

De acuerdo con los resultados, durante el verano una temperatura superficial del suelo de 20 ºC puede resultar adecuada para mantener buenas condiciones de confort. Con esa temperatura superficial, en el espacio ocupado regularmente por los usuarios (hasta unos 2m de altura) se mantienen temperaturas de alrededor de 25 ºC. Considerando algunos días con condiciones más extremas es necesario prever que el sistema pueda proporcionar temperaturas superficiales del suelo un poco más bajas. En todo caso, es importante tener en cuenta que temperaturas cercanas a los 15 ºC incrementan el riesgo de condensación superficial y condiciones de disconfort local.

Nota: La temperatura operativa es, en términos simples, el promedio entre la temperatura del aire y la temperatura radiante de las superficies interiores. Se aproxima mejor a la sensación térmica real que la temperatura del aire por si sola.

Casa AMX CFD Verano Temperatura 10

Figura 1A. Verano, suelo radiante con temperatura superficial de 10 ºC.

Casa AMX CFD Verano Temperatura 15

Figura 1B. Verano, suelo radiante con temperatura superficial de 15 ºC.

Casa AMX CFD Verano Temperatura 20

Figura 1C. Verano, suelo radiante con temperatura superficial de 20 ºC.

RESULTADOS PARA INVIERNO

En lo que respecta al invierno, de acuerdo con los resultados una temperatura superficial del suelo de 30 ºC puede resultar adecuada para mantener buenas condiciones de confort. Con esa temperatura superficial, la temperatura operativa en el espacio ocupado es de alrededor de 21 ºC. Por otro lado, se observa que el suelo funcionando a 25 ºC puede no ser suficiente en condiciones extremas, mientras que el suelo funcionando a 35 ºC puede generar fácilmente condiciones de disconfort por sobrecalentamiento.

Nota: De acuerdo con la Norma UNE EN 1264, cuando se usan suelos radiantes se recomienda no emplear temperaturas superficiales mayores a 29 ºC en los espacios regularmente ocupados. Sin embargo, admite temperaturas de hasta 35 ºC en las zonas perimetrales de dichos espacios, es decir, en las cercanías de muros y ventanas. En ese sentido, se puede hacer un balance manejando temperaturas superficiales más elevadas en los perímetros (por ejemplo reduciendo el espaciamiento de los tubos), y más bajas en las partes centrales.

Casa AMX CFD Invierno Temperatura 25

Figura 2A. Invierno, suelo radiante con temperatura superficial de 25 ºC.

Casa AMX CFD Invierno Temperatura 30

Figura 2B. Invierno, suelo radiante con temperatura superficial de 30 ºC.

Casa AMX CFD Invierno Temperatura 35

Figura 2C. Invierno, suelo radiante con temperatura superficial de 35 ºC.


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Categories: Consultorías

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