La Hipótesis de Hempel sobre la explicación y la predicción:
Predecir X es explicar X antes de que ocurra. Explicar X es predecir X después de que ocurra: hay una simetria lógica especial entre los conceptos de explicación y predicción.
N. R. Hanson
Constelaciones y conjeturas.
1. Introducción
La humanidad, desde tiempos remotos, ha buscado cobijo para protegerse de los rigores del clima, en una continua evolución desde los primitivos refugios naturales hasta los actuales edificios con una técnica constructiva cada vez mas sofisticada.Antes de la revolución industrial los edificios se caracterizaban por su diseño tradicional, basados en unos criterios depurados por la experiencia ancestral, donde destacaba el espesor y la masa de sus cerramientos por su doble función de estructura y aislamiento. Con el desarrollo de la tecnología moderna se han producido importantes fenómenos que deben ser considerados:
• Los elementos de cerramiento los edificios se han liberado de gran parte de la función estructural y se han especializado como contenedores del ambiente interior, disminuyendo el espesor y la masa de los cerramientos ciegos e incrementándose la proporción de los huecos.
• Las instalaciones de acondicionamiento artificial han tenido un desarrollo extraordinario, que les permiten garantizar la comodidad ambiental en cualquier circunstancia mediante el consumo de energía, que en caso extremo han relegando a los cerramientos a simples delimitadores del espacio acondicionado.
• La crisis energética de 1973 supuso un duro revés al abuso de la climatización artificial con energías baratas, obligando a buscar alternativas de uso racional de los recursos económicos, tanto de instalaciones como de consumo, incentivando el desarrollo de nuevos materiales de aislamiento térmico y sistemas de acondicionamiento pasivo.
En la actualidad, el especialista en el control ambiental tiene el compromiso de satisfacer unas condiciones de comodidad ambiental cada vez mas rigurosas, consecuencia de la evolución del concepto de calidad de vida, mediante la aplicación racional de recursos materiales cada vez mas escasos. Dicha discrepancia sólo se puede resolver mediante la aplicación de recursos
técnicos y científicos sofisticados que permitan el diseño, ejecución y control riguroso de los medios de acondicionamiento ambiental de los edificios.
La tendencia actual del control ambiental se sintetiza en el concepto de arquitectura bioclimática, en la cual se concibe al edificio como un sistema integrado de medios de acondicionamiento con una capacidad de adaptación similar a la del cuerpo humano, que interacciona con los cambios el ambiente exterior para admitir los factores ambientales favorables y defenderse de los factores desfavorables. Para ello se recurre fundamentalmente al propio diseño arquitectónico y constructivo del edificio, también denominado arquitectura pasiva, y al uso racional de la energía para accionar los sistemas de control o regulación, o para alimentar las instalaciones técnicas de apoyo como complemento de los sistemas de acondicionamiento pasivos en condiciones extremas.
La arquitectura pasiva ha destacado la importante contribución de los cerramientos de los edificios como principal barrera frente a los factores climáticos, valorando no sólo sus propiedades de aislamiento térmico sino también sus propiedades de capacidad o inercia térmica para estabilizar y autorregular las condiciones ambientales interiores. Como consecuencia lógica, hoy se demanda un método científico para estudiar rigurosamente el comportamiento térmico de los cerramientos de edificios en condiciones ambientales reales.
1.1 Antecedentes
Los métodos de cálculo tradicionales utilizados para estimar transmisión instantánea de calor en condiciones ambientales extremas o de proyecto fueron inicialmente desarrollados para dimensionar los equipos de calefacción o refrigeración, pero hoy resultan inadecuados para conocer el comportamiento térmico de los cerramientos durante un determinado periodo, especialmente cuando son sometidos a condiciones ambientales reales en régimen transitorio. Es destacable que los anteriores métodos suelan obviar la influencia del soleamiento, la nubosidad o la irradiación nocturna en el cálculo de la carga térmica de los edificios. Ello es debido a que el clima de proyecto se suele determinar para las condiciones de verano o invierno mas desfavorables, y también porque la ausencia de ordenadores obligaban a un cálculo manual simplificado, obviando aquellos factores de excesiva complejidad.
Como ejemplos de normas de control ambiental o métodos de cálculo tradicionales se pueden citas y comentar las siguientes:
• NBE-CT-79: Norma española que obliga a un aislamiento térmico mínimo de los cerramientos y del edificio en su conjunto, orientada al ahorro energético en condiciones de invierno. No considerada el soleamiento o la orientación salvo indirectamente en el caso de cubiertas (80% del K global), no considera la inercia térmica salvo indirectamente en el K mínimo de las fachadas (M>200 Kg/m2), y no obliga al aislamiento térmico en condiciones de verano aunque propone unas recomendaciones en caso de refrigeración (anexo 6).
• NTE-ICR: Recomendación técnica española que propone un método simplificado para el cálculo de las instalaciones de calefacción. De concepto similar a la NBE-CT-79, solo considera el soleamiento muy indirectamente con variaciones de +/-5% de la carga térmica según la orientación, equiparando las cubiertas y los forjados sobre el exterior a una orientación este (0% de variación).
• Método CARRIER: Método de cálculo de refrigeración por medio de tablas. Es el típico método de cálculo manual por correlación a un modelo tipificado de referencia, calculado
analíticamente por el método de Schmidt, con numerosas tablas de corrección para las desviaciones de los parámetros tipificados.
• Método ASHRAE: Método de cálculo de calefacción y refrigeración, muy similar al anterior. También se observa que el desarrollo técnico ha incidido mucho más en el concepto de calefacción que en el de refrigeración, sin duda influenciado por el clima predominantemente frío de los países industrializados. Hoy se reconoce que la refrigeración activa consume mucho mas recursos de instalaciones y energía que la calefacción, y que el desarrollo de áreas con clima soleado o cálido ha potenciado la demanda de sistemas de refrigeración, la cual que puede ser satisfecha en gran medida por sistemas de acondicionamiento pasivo.
1.2 Objeto de la investigación
El objetivo de la tesis será el estudio del comportamiento térmico de cerramientos soleados mediante un modelo de simulación por diferencias finitas espacio-temporales, que permita analizar con detalle los flujos de calor y temperaturas generados en cerramientos exteriores de edificios por condiciones ambientales reales, especialmente cuando inciden fenómenos de soleamiento e irradiación. La meta se concreta en el desarrollo de un programa informático de simulación cuyos resultados representen la historia diaria de los fenómenos térmicos en la superficie e interior de cualquier cerramiento exterior.
El método de cálculo del comportamiento térmico se deberá fundamentar en modelos físicos contrastados y deberá considerar la transmisión de calor en régimen transitorio a través del cerramiento mediante los mecanismos combinados de conducción y acumulación del calor, y el intercambio de calor entre las superficies del cerramiento y el ambiente exterior o interior por los mecanismos de convección, radiación e irradiación infrarroja.
El modelo de simulación se debería desarrollar mediante un programa informático en un entorno interactivo y transparente para el usuario, aprovechando al máximo todos los recursos de los ordenadores personales, para gestionar las amplias bases de datos y ejecutar los laboriosos cálculos precisos para realizar el proceso de simulación por diferencias finitas espacio-temporales.
El modelo de simulación deberá considerar los parámetros físicos del ambiente exterior e interior del edificio, desglosados en los valores instantáneos durante un ciclo diario de temperaturas del aire, velocidad del aire y radiación incidente, además de los valores de la emitancia del entorno, orientación e inclinación del cerramiento, y otros parámetros auxiliares. En el caso que no se disponga de datos detallados de las condiciones ambientales reales, el modelo de simulación debería poder estimarlos a partir de unos pocos parámetros estadísticos.
El modelo de simulación también deberá considerar los parámetros físicos del cerramiento, tanto en sus superficies exterior e interior (absortancia, emitancia y rugosidad) como en cada capa de su interior (espesor, capacidad y conductividad térmica). Además, para la aplicación generalizada del modelo de simulación se deben considerar los cerramientos con cualquier topología (desde fachadas a cubiertas) y con cualquier estructura interna (cerramientos heterogéneos o compuestos).
Los resultados del proceso de simulación deberá mostrar 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. Además, dicha información se deberá presentar en un formato adecuado para su análisis e interpretación (valores absolutos o diferenciales, gráficas, estadísticas, ficheros editables, etc.). La coherencia del programa de simulación se deberá comprobar para una amplia gama de condiciones ambientales y tipos de cerramientos y, en particular, se deberá verificar la bondad de modelo de simulación mediante la correlación de sus resultados analíticos con los resultados de un modelo experimental a escala real sometido a condiciones ambientales reales.
Dicho modelo experimental debería estar dotado de un cerramiento de referencia y de otro similar donde se ensayarán diferentes configuraciones constructivas a lo largo de la campaña. Se deberán registrar sistemáticamente las temperaturas de la superficie e interior los cerramientos y todos los parámetros ambientales exteriores e interiores durante los ensayos. Además, el espacio interior se deberá mantener en unas condiciones ambientales constantes como referencia a las condiciones climáticas espontáneas del ambiente exterior.
1.3 Acotación de la investigación
El área de conocimientos que comprende el comportamiento térmico de los edificios es sumamente extensa y todo trabajo científico riguroso sobre el mismo debe acotar su campo para alcanzar las metas mas avanzadas posibles respecto a sus planteamientos iniciales.
Desarrollo de la investigación
El punto de partida de la investigación es un análisis riguroso y exhaustivo, con su valoración y síntesis, del estado de conocimiento actual de los procesos físicos de transmisión de calor en cerramientos exteriores, y que son imprescindibles para el posterior desarrollo del modelo de simulación. La complejidad real de dichos procesos, el peculiar enfoque de la investigación orientada a un detallado análisis espacio-temporal, y las interesantes aportaciones científicas que se deducen justifican plenamente que se le dedique una atención especial en la tesis.
La meta de la presente tesis es aportar a la comunidad científica una potente herramienta de análisis del comportamiento térmico de cerramientos reales, que se ha de sintetizar en el desarrollo de un modelo de simulación informatizado con sus correspondientes modelos matemáticos y paramétricos, no sólo de los procesos de transmisión de calor, sino también para determinar los datos de partida de las condiciones ambientales y los cerramientos.
Además, siendo consecuente con el método científico, se precisa la creación de un laboratorio para realizar los ensayos de diferentes cerramientos experimentales, con cuyos resultados se pueda comprobar el modelo analítico y verificar la bondad del programa de simulación, al tiempo que se puedan deducir interesantes conclusiones sobre el comportamiento térmico de cubiertas protegidas con diferentes soluciones constructivas.
Con este desarrollo se culmina el objetivo de la tesis, formalizada en este extenso documento, pero sin agotar la línea de investigación iniciada, ya que precisamente el programa de simulación permite el inicio de interesantes trabajos de investigación aplicada al análisis térmico de cerramientos, entre los que se podría apuntar la comprobación del comportamiento de cerramientos convencionales, el diseño de soluciones constructivas térmicamente optimizadas o incluso la propuesta de criterios bioclimáticos de proyectación de fachadas y su entorno.
Campo de la investigación
El propio título de la tesis define, en síntesis, el campo de la investigación propuesta, acotándola respecto a otros fenómenos que, sin dejar de ser importantes o interesantes, no tienen cabida en el presente trabajo por su complejidad o extensión.
El comportamiento térmico de cerramientos soleados permite delimitar los procesos implicados de transferencia de calor por convección, radiación o irradiación, conducción o acumulación de otros mecanismos de transferencia de calor que no son relevantes en cerramientos soleados, especialmente los relacionados con el agua.
• Se han excluido los fenómenos de transferencia de vapor de agua (calor sensible), valorando la pequeña permeabilidad de los cerramientos exteriores, y los fenómenos térmicos de cambio de estado del agua (calor latente) en el interior del cerramiento (condensación intersticial) o en la superficie del cerramiento (condensación superficial o evaporación de la lluvia), valorando su elevada complejidad.
• Se ha excluido la posible existencia de fuentes o sumideros de calor en el interior de los cerramientos diferentes a la propia acumulación de calor sensible en su masa, que excepcionalmente podrían generarse por cámaras de aire ventiladas, calefacción o refrigeración en el interior del cerramiento o elementos de acumulación por calor latente (sales eutécticas). No obstante, las fuentes de calor superficial se podrían equiparar a la incidencia de la radiación.
• Se han considerado que todas las capas del cerramiento tienen una resistencia térmica constante, excluyéndose los casos de resistencia térmica variable por humedad en los materiales o cámaras de aire horizontales con flujo de calor alternante.
• Por último, se han excluido los casos de huecos o cerramientos transparentes que permitan la transmisión de la radiación, ya que habría que considerar mecanismos térmicos muy diferentes a los de los cerramientos opacos, como puede ser la transmitancia espectral variable, el índice de reflexión variable o una masa despreciables. Estos casos son de gran interés para el control ambiental y se podrían desarrollar en un modelo de simulación específico con una estructura muy similar al desarrollado en el presente trabajo.
El modelo de simulación por diferencias finitas se ha diseñado basándose en un método matemático basado en pequeños incrementos espacio-temporales, aplicándose para el caso de transmisión de calor unidireccional en ciclos diarios, por lo que hay que reseñar las siguientes limitaciones:
• El modelo de simulación se ha desarrollado para cerramientos planos de espesor constante, ya que los modelos espaciales bidimensionales (esquinas, retranqueos o puentes térmicos) o tridimensionales exigiría el desarrollo por elementos finitos. Estos casos suelen ser minoritarios y su complejidad excede al campo de la investigación.
• El modelo de simulación se ha desarrollado para ciclos diarios, con un intervalo (incremento temporal) típico de 15 minutos. Este ciclo es el más característico para el estudio del comportamiento térmico en condiciones ambientales reales (0:00-24:00 horas) y el intervalo típico permite una resolución excelente de 96 datos por ciclo.
Considerando el carácter generalmente excepcional de las anteriores limitaciones, el modelo de simulación propuesto será aplicable en una gran mayoría de los cerramientos de edificios, sobre todo si se pondera su elevada proporción en la superficie de los edificios.
No obstante, hay que destacar el carácter estructurado y modular del programa de simulación propuesto, que permite con gran facilidad el desarrollo de modelos alternativos adaptados a modelos físicos atípicos, como por ejemplo los casos de fuentes o sumideros en su interior, resistencia interior variable, ciclos de varios días e incluso cerramientos transparentes (ventanas, muro Trombe, etc.).
1.4 Aplicaciones de la investigación
El modelo matemático o analítico
El modelo de simulación propuesto se puede utilizar con diferentes fines, en función del tipo de datos de partida con que se aplique, tal como hace referencia [Hanson, N.R. p.13] a la Hipótesis de Hempel sobre la explicación y la predicción:
Predecir X es explicar X antes de que ocurra. Explicar X es predecir X después de que ocurra:
Hay una simetría lógica especial entre los conceptos de explicación y predicción. La primera finalidad del modelo de simulación, por orden cronológico, es la explicación del comportamiento térmico de los cerramientos mediante su utilización como herramienta de verificación, para comprobar que los algoritmos propuestos por el modelo matemático para reproducir los procesos físicos se adecuan al comportamiento real de los cerramientos, por lo que habría que proporcionarle los mismos datos reales de partida que los utilizados en un modelo experimental de referencia, para poder establecer una correlación de resultados.
La siguiente 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, pudiendo ser determinadas a partir algoritmos de predicción a partir de unos pocos datos fundamentales.
En resumen, existe un primer objetivo teórico que pretende la integración de numerosos modelos matemáticos de diversas disciplinas de la física y su verificación con un experimento a escala real, que se complementa con el objetivo práctico de aportar un programa de simulación, transparente y sencillo de ejecutar, que permita analizar el comportamiento térmico de soluciones constructivas de cerramientos en condiciones reales.
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.
El programa de simulación
El programa de simulación desarrollado es de aplicación general para analizar el comportamiento térmico de cualquier cerramiento en todo tipo condiciones ambientales, salvo para los casos patológicos de humedades de condensación u otras excepciones antes apuntadas. El tratamiento exaustivo que se hace de la transmisión en régimen transitorio y la incidencia del soleamiento lo hacen especialmente adecuado para aquellos climas que se caracterizan por su gran diferencia diaria de temperatura (clima continental) o por su elevada insolación (clima meridional), siendo idóneo para aquellos climas que combinen ambos fenómenos (clima desértico). Incluso en climas fríos, con un régimen térmico casi estacionario, permite analizar la influencia del viento o ventilación mediante el tratamiento que se hace de la convección forzada. La flexibilidad del modelo para aceptar cualquier latitud, orientación, inclinación y ciertas obstrucciones del entorno permiten su aplicación a innumerables configuraciones de fachadas y cubiertas soleadas. Además, es especialmente interesante su aplicación a las cubiertas de los edificios por considerar el fenómeno del enfriamiento por irradiación nocturna.
Por último, la capacidad del modelo de simulación para admitir cualquier tratamiento superficial y estructura interna del cerramiento permite su aplicación a la inmensa mayoría de las soluciones constructivas de cerramientos exteriores, permitiendo optimizar su rendimiento térmico y valorar con precisión los fenómenos de inercia térmica, incluso en cerramientos interiores.
El módulo experimental
La finalidad fundamental del módulo experimental es la verificación del modelo de simulación, pero es indudable que los propios resultados de los ensayos en condiciones reales tienen aplicación directa para el 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.
Se ha proyectado que el modelo o módulo experimental se formalice en un local climatizado, en cuya cubierta plana se delimiten 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 superponen diferentes elementos constructivos de protección.
Existen numerosas razones que justifican el estudio experimental de las cubiertas planas:
• Una elevada proporción de los cerramientos exteriores de los edificios son cubiertas.
• Son los cerramientos mas soleados de los edificios, especialmente durante el verano o en regiones meridionales, y están muy expuestos al enfriamiento nocturno por irradiación.
• La cubierta plana sobre forjado es una solución constructiva casi universal, muy sencilla de tipificar pero con un comportamiento térmico poco conocido.
• El forjado y la capa de pendiente de las cubiertas planas tienen mucha masa y son bastante conductores, aportando una elevada inercia térmica.
• La comodidad térmica bajo las cubiertas está afectada por las altas temperaturas que puede alcanzar la superficie exterior (mas de 50ºC), el retardo de la onda de calor (máximo al anochecer) y por el predominio del flujo por irradiación (75%) directo sobre los ocupantes.
La verificación del comportamiento térmico del modelo experimental mediante el modelo de simulación permitirá la determinación de las propiedades físicas reales de las cubiertas experimentales y analizar los flujos de calor generados en condiciones ambientales reales para optimizar criterios de diseño constructivo.
1.5 Metodología y fuentes
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:
Planteamiento de la investigación:
• Introducción
El modelo matemático o analítico:
• Procesos físicos de transferencia de calor
• Conducción con régimen transitorio
• Convección en cerramientos
• Soleamiento e irradiación infrarroja en cerramientos El modelo de simulación:
• Parámetros físicos de cálculo.
• El programa de simulación. El modelo experimental:
• El módulo experimental.
• Pruebas y verificación del modelo de simulación. Conclusiones de la investigación:
• Recapitulación y conclusiones.
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.
• 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.
Las fuentes propias utilizadas en la investigación consisten fundamentalmente en una amplia colección de programas informáticos aplicados al control ambiental, entre los que destacan varios prototipos de modelos de simulación del comportamiento térmico desarrollados en los últimos 11 años. Los resultados de los ensayos del módulo experimental también constituyen una fuente propia fundamental.
