Radiacin solar y sus mtodos de clculoAplicaciones al diseo cientfico ambiental

IntroduccinEl problema de la energa y su repercusin en la arquitectura y el urbanismo

1400000 1200000 1000000 ktoe 800000 600000 400000 200000 398694 172599 281081 121099 188039

0 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Transport Services/Agriculture Residential Otherindustrialsectors Energyintensiveindustries

Demanda final de energa por sectores (EU-15, baseline scenario)Fuente: Agencia europea del medio ambiente.

IntroduccinEl problema de la energa y su repercusin en la arquitectura y el urbanismo

FinalEnergydemandbysectorEU15(BaselineScenario)ktoe 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Energyintensiveindustries Otherindustrialsectors Residential Services/Agriculture Transport FinalEnergyDemand

178806 87132 216656 125799 252358 860751

168576 89632 227857 134927 274849 895842

176390 173888 178924 184226 186512 187901 188039 96042 99150 103983 109587 113722 117784 121099 240106 257875 267960 274234 277816 279886 281081 135542 147088 157194 165431 169392 171691 172599 310456 324418 345894 366304 381135 392190 398694 958535 1002418 1053955 1099780 1128578 1149451 1161512

FinalEnergydemandbysectorEU15(BaselineScenario)ktoe 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Energyintensiveindustries Otherindustrialsectors Residential Services/Agriculture Transport FinalEnergyDemand

20,77% 19,58% 20,49% 20,20% 20,79% 21,40% 21,67% 21,83% 21,85% 10,12% 10,41% 11,16% 11,52% 12,08% 12,73% 13,21% 13,68% 14,07% 25,17% 26,47% 27,89% 29,96% 31,13% 31,86% 32,28% 32,52% 32,66% 14,62% 15,68% 15,75% 17,09% 18,26% 19,22% 19,68% 19,95% 20,05% 29,32% 31,93% 36,07% 37,69% 40,19% 42,56% 44,28% 45,56% 46,32% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

Introduccin

El problema de la energa y su repercusin en la arquitectura y el urbanismo

Incremento en la demanda de energa final de 1990 a 2030 Industria intensiva Otros sectores industriales Residencial Agricultura Transporte +5,16% +38,98% +29,73% +37,20% +57,98%

Simulacin arquitectnica

La simulacin es un proceso usado ampliamente en muchos campos: - Diseo industrial - Sector financiero - Ingeniera Permite disear objetos, procesos y productos, as como planificar soluciones de un modo rpido y eficaz. Si queremos hacer un buen diseo cientfico ambiental debemos contar con las herramientas adecuadas

Simulacin arquitectnicaConstante solar: Valor medio de la cantidad de energa solar incidente por rea unitaria en un plano perpendicular a la direccin de propagacin.

I c = 1353Espectro visible (luz)

W m2

Luz Calor

lux W/m2

Radiacin trmica (calor)

Simulacin arquitectnica

Resolucin geomtrica del tringulo esfrico usando coordenadas horizontales y ecuatoriales

Simulacin arquitectnicaSistema de coordenadas horizontales Azimut solar (A) Altura solar (h) Sistema de coordenadas ecuatoriales ngulo horario (w) Declinacin (d)

senh = senLsend + cos Lcos wcos A = cos d cos w senhcos L coshsenL

ngulo horario (w) entre [-90,+90] avanza +15 cada hora solar. Declinacin (d) entre [-23,45,+23,45]

Simulacin arquitectnica

Datos de radiacin extrados de Energa solar, edificacin y clima Alicante [370-380 cal/cm2/da] Huelva [> 420 cal/cm2/da] [4,3-4,4 Kwh/m2] [4,8 Kwh/m2]

Simulacin arquitectnica

Datos de radiacin extrados del CTE. Alicante y Huelva [Zone V > 5 Kwh/m2]

Simulacin arquitectnicaQu datos proporcionan los mapas de radiacin solar? - Radiacin solar directa en un plano horizontal - Datos medios anuales - A menudo pueden causar confusin

Qu necesitamos para realizar un buen diseo cientfico ambiental? - Datos concretos - Radiacin solar en planos horizontales y verticales (fachadas y cubiertas) - Datos mximos y medios anuales

Simulacin arquitectnica- El diseo cientfico ambiental nos da herramientas de comprobacin y de diseo. - El diseo cientfico ambiental produce: - Resultados universales, que pueden ser entendidos por casi todo el mundo (incluso los camareros) - Datos que cualquier persona puede comprobar con mediciones reales - Cmo afrontamos el diseo cientfico - Construyendo escenarios de diseo. - Usando programas de simulacin para ordenador. - La simulacin por ordenador - Es barata y se la puede permitir todo el mundo (estudiantes, investigadores, profesionales) - Es rpida y exacta, porque evita errores de clculo comunes. - Produce grandes cantidades de datos y grficos en poco tiempo

Simulamos escenarios de diseo con el ordenador

Construccin de escenarios de clculoEl programa slo necesita tres datos. - Latitud y longitud del lugar - Da del ao mapas das recomendados de cada mes

= 23,45sin 360

284 + n 365

- Hora solar simtrico

5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 from -90 to +90

luego es

Solucin de Cooper para la declinacin solar

- ngulo horario

Construccin de escenarios de clculoCielo despejados, radiacin directa en una superficie perpendicular: iluminancia (Gillete and Pierpoint)

E ( Klux ) = 127.500e

0.21 sin( h )

Radiacin directa con cielo parcialmente nublado: iluminancia (Gillete and Pierpoint)

E ( Klux ) = 127.500e

0.80 sin( h )

Proyeccin horizontal

Eh ( Klux ) = En sin( h)Proyeccin vertical

Eh ( Klux ) = En cos(h)cos( A)

Construccin de escenarios de clculoRadiacin solar difusa: cielo despejado

E ( Klux ) = 16.300 sin( h)Radiacin solar difusa: cielo parcialmente nublado

E ( Klux ) = 45.300sin( h)Radiacin solar difusa: cielo cubierto

Eh ( Klux ) = 21.300sin( h)Radiacin solar difuse en superficies verticales: cielo despejado1 3 1 3 1 3

Ev ( Klux ) = 4.000 * h + 12.000 sin( h) cos h [Radiacin solar difusa: cielo nublado (CIE)

(2 + cos( A) ] (3 cos( A)

E ( Klux ) = 8.500sin( h)

Construccin de escenarios de clculoProyeccin horizontal SOL DIRECTO, CIELO DESPEJADO Proyeccin vertical Proyeccin horizontal SOL DIRECTO, CIELO PARCIALMENTE NUBLADO fachadas, ventanas cubiertas, calles, aceras cubiertas, calles, aceras

Proyeccin vertical

fachadas, ventanas

Iluminancia horizontal CIELO CUBIERTO Iluminancia vertical

Construccin de escenarios de clculoPROBABILIDAD DE CADA ESCENARIO PREVISTO EN CADA LOCALIZACIN A.- Horas de sol mximas B.- Horas de sol efectivas C.- Das con cielo cubierto Lluvia Nieve Tormenta D.- Cielo parcialmente nublado A/B C D Grado de incertidumbre ecuaciones tericas Datos meteorolgicos

Das con cielo despejado (%) Das con cielo cubierto (%) Das con cielo parcialmente cubierto (%)

Construccin de escenarios de clculoEJEMPLOS DE DIFERENTES TIPOS DE CLIMAS El dato ms fiable es el nmero de horas de sol: - Climas con un alto porcentaje de das despejados tienen un bajo grado de incertidumbre: Sevilla Cielo despejado 66 % Cielo cubierto 16 % Cielo parcialmente cubierto 18 % - Climas con un bajo porcentaje de das despejados tienen un grado de incertidumbre algo mayor: Vitoria Cielo despejado 38 % Cielo cubierto 37 % Cielo parcialmente cubierto 25 % no son

- Variaciones locales (turbidez, contaminacin) pueden modificar ligeramente el escenario importantes.

Construccin de escenarios de clculoLenguaje de programacin - Rpido y fiable. - Personalizable, con multitud de diferentes opciones. - Produce datos numricos y grficos - Uno de los lenguajes ms extendidos en la comunidad cientfica DATOS DE ENTRADA PARA LOS MDULOS 1 Y 2 (LUZ Y CALOR) - Latitud y longitud - Da del ao - Porcentaje de das despejados, parcialmente nublados y cubiertos. MATLAB

- Fcil de conseguir para estudiantes, profesionales, investigadores

Resultados de la simulacinDATOS NUMRICOS**********************GLOBAL RADIATION VERTICAL FAADE WEST (LUX) ************************* DIFFUSE 4258.06 5355.81 6740.61 8338.05 9559.55 9803.46 9709.33 8901.92 7660.38 6028.58 4510.90 3908.26 PART.CLOUDY 4424.76 6572.77 9777.43 13370.58 16134.91 17279.53 16790.67 14477.89 11198.44 7674.84 4985.44 3802.37 OVERCAST 1442.34 2210.44 3352.67 4671.06 5719.50 6182.21 5981.36 5099.95 3862.15 2584.14 1638.19 1232.09 DIRECT 14250.79 21499.49 34317.66 40487.69 41482.69 50618.27 43159.02 38281.84 33420.73 24954.45 17111.25 11848.59 DIR.OVERCAST 1417.79 3428.46 7791.55 11514.03 13230.14 16547.99 13944.16 11475.69 8564.47 4701.37 1970.58 933.08

***************************************************************************** **********************GLOBAL RADIATION VERTICAL FAADE WEST (LUX) ************************* DIFFUSE 7064.58 763.06 10.80 PART.CLOUDY 10540.80 2247.12 21.32 OVERCAST 3664.67 761.87 20.79 DIRECT 30952.70 7319.46 23.65 DIR.OVERCAST 7959.94 3426.59 43.05

*****************************************************************************

Resultados de la simulacin

Resultados de la simulacinSALIDA NUMRICA

GLOBAL RADIATION VERTICAL WEST FAADE INCLUDING PROBABILITY 4118.04 6708.02 12092.12 14926.52 17119.29 18942.61 21180.89 23480.37 19587.39 12852.62 6432.14 4113.35 MEAN RADIATION WEST FAADE INCLUDING PROBABILITY Mean 13462.78 6806.73 50.56 %

Standard deviation

Coefficient of variation

Resultados de la simulacinDATOS GRFICOS

Resultados de la simulacinCmo analizar los datos Salida numrica Salida grfica anlisis cuantitativo Anlisis cuantitativo

- Prestar atencin a los valores medios, mximos y mnimos, a la desviacin estndar y al coeficiente de variacin - El anlisis estadstico puede ser til para entender algunos datos - Podemos usar el programa para obtener los valores deseados - Valores medios (ao, mes) - Valores horarios anlisis general anlisis ms especfico

- La auditora energtica puede ser personalizable. - Podemos usar estos datos para disear: - Protecciones y mantenimiento de fachadas y cubiertas - Sistemas de aislamiento pasivo. - Dispositivos de calefaccin y aire acondicionado.

Aplicaciones prcticasEl diseo cientfico ambiental puede aplicarse a la rehabilitacin ambiental de distintos tipos de edificios y espacios urbanos: - Rehabilitacin ambiental de reas urbanas degradadas. - Rehabilitacin de edificios con problemas ambientales. Tejidos residenciales de los aos 70-80 Edificios patrimoniales

- Diseo y planificacin de nuevas reas urbanas Normativa de diseo ambiental. - Podemos usar estos datos para disear: Protecciones y mantenimiento de fachadas y cubiertas Sistemas de aislamiento pasivo. Dispositivos de calefaccin y aire acondicionado.

Fuentes y bibliografaGivoni, Baruch, Climate considerations in building and urban design, New York, John Wiley & Sons Inc, 1998. Givoni, Baruch, Man, climate and architecture, Elsevier architectural science series, Great Yarmouth, Elsevier publishing company ltd, 1969. Oleg Dzioubinski & Ralph Chipman, Trends in Consumption and Production:Household Energy Consumption DESA Discussion Paper No. 6, en Discussion Paper of the United Nations Department of Economic and Social Affairs, April 1999. Documento electrnico en < http://www.un.org/esa/sustdev/publications/esa99dp6.pdf > Olgyay, Victor, Arquitectura y clima, Manual de diseo bioclimtico para arquitectos y urbanistas, Barcelona, Gustavo Gili, 2008, (versin castellana de Josefina Fruntado y Luis Clavet). Cabeza Lanez, Jos Mara, Fundamentos de transferencia radiante luminosa, o la verdadera naturaleza del factor de forma y sus modelos de clculo, Sevilla, Netbiblo S.L. , 2009. Cabeza Lanez, Jos Maria, La ciudad japonesa, ascenso y declive de la megalpolis, IX congreso de la asociacin espaola de estudios japoneses, Zaragoza, 14-18 de Abril, 2008. Szokolay, Steven V, NOTE 1 Solar geometry en PLEA Notes, 2nd edition revised, Brisbane, Department of architecture, University of Queenland, 2007, 47 pp. Documento digital en Matlab, Manuales de usuario de Matlab. Varios documentos electrnicos disponibles en http://www.mathworks.es>

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