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Dec 08, 2023

Edificación Sostenible: Lograr el Confort Térmico en Edificios Altamente Acristalados Utilizando Smart Glass

Fecha: 12 de abril de 2023 Autores: Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader y

Fecha: 12 de abril de 2023

Autores: Reem Taher, Walid Abdelmoneim Abdelkader y Ahmed A.Medhat A. Fahim

Fuente:Serie de conferencias IOP: Ciencias ambientales y de la tierra, Volumen 1113, Visiones para ciudades futuras (VFC-2022) 23/09/2022 - 25/09/2022 El Cairo, Egipto

DOI:10.1088/1755-1315/1113/1/012021

El diseño de edificios convencionales proporciona soluciones estáticas para la envolvente del edificio, aunque las características climáticas son parámetros variables, lo que genera una discrepancia entre el edificio y el entorno y, por lo tanto, un entorno térmico incómodo para los ocupantes. En consecuencia, las fachadas externas de muchos edificios convencionales se han convertido en una carga térmica para sus ocupantes, lo que requiere soluciones mecánicas para lograr el confort térmico, lo que afecta negativamente al medio ambiente y provoca crisis energética, contaminación del aire y calentamiento global.

Se plantea la hipótesis de que el uso de vidrio inteligente en la envolvente de los edificios puede proporcionar soluciones óptimas para adaptar los edificios a las características climáticas y ambientales variables, mejorando así el confort térmico de los usuarios y, además, contribuyendo a la consecución de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS), que buscan mejorar la salud, hacer frente al cambio climático y el consumo responsable de energía. Esto se aprueba mediante la simulación de un edificio de oficinas de alto acristalamiento utilizando el software DesignBuilder en su caso base y después de aplicar las técnicas de vidrio inteligente propuestas. Luego se calculan las cargas de enfriamiento para investigar la eficiencia del consumo de energía.

El confort humano es un objetivo importante en el proceso de Diseño Arquitectónico. Las personas deben estar seguras y saludables en el edificio durante su uso. Una vez que la seguridad y la salud están aseguradas, necesitan un confort ambiental interior que incluya particularmente el confort térmico no solo para la felicidad sino también para la productividad y las interacciones sociales. [1]

Los edificios deben adaptarse a su entorno e interactuar de manera inteligente con las condiciones ambientales locales. Esta interacción es lógicamente más realizada por la envolvente del edificio (principalmente para una respuesta a las condiciones climáticas deseadas o no deseadas) en climas cambiantes. Por lo tanto, las envolventes de los edificios, particularmente las altamente acristaladas, deben diseñarse de manera inteligente para interactuar con las condiciones ambientales circundantes para ofrecer un alto rendimiento en comparación con el rendimiento de la envolvente estática y tradicional.[2],[3]

2.1. Sostenibilidad, Arquitectura Verde e Inteligente

La integración de técnicas de diseño verde y tecnología inteligente en el edificio no solo reduce el consumo de energía y el impacto ambiental, sino que también reduce los costos de operación y mantenimiento, crea un ambiente de trabajo agradable y cómodo, mejora la salud de los usuarios y aumenta su productividad, y aumenta el valor del edificio. y los ingresos por alquiler. La arquitectura inteligente contribuye a lograr los Objetivos de Desarrollo Sostenible con aplicaciones inteligentes y tecnología moderna que se integran con la tecnología de comunicación dentro de los elementos de construcción. Cualquier edificio inteligente es un edificio verde, no al revés. Los edificios inteligentes tienen un desempeño efectivo hacia el medio ambiente a través de una interacción dinámica positiva entre los elementos del edificio y el medio ambiente. [4] La figura 1 presenta los elementos comunes de los edificios inteligentes y ecológicos.

2.2 Ventana inteligente

Envolvente inteligente se define como un rendimiento avanzado para la envolvente del edificio con un diseño inteligente relacionado con las condiciones climáticas y soluciones tecnológicas para la construcción tales como ventanas inteligentes, aislamiento inteligente, fachada inteligente y sistemas inteligentes y soluciones de equipos tecnológicos inteligentes como sistemas de gestión inteligente, todos proporcionar las mejores condiciones para los usuarios, como el confort térmico, el bienestar interior, la conservación eficiente de la energía y el uso eficiente del medio ambiente. La respuesta adaptativa de un sobre inteligente puede ser pasiva o activa, o una combinación de ambas. Las respuestas pasivas ocurren sin ninguna interferencia de los ocupantes. Por otro lado, las respuestas activas se producen mediante la integración de dispositivos y sistemas de control automático en los elementos de la envolvente del edificio. Los envolventes de edificios inteligentes son capaces de aprender por sí mismos de los usuarios y esperar las configuraciones requeridas a partir de las condiciones ambientales cambiantes. También educan a los usuarios, modifican sus acciones, conocen las necesidades de los ocupantes, seleccionan la acción más adecuada para cada estímulo y la llevan a cabo. [5], [6]

Las ventanas inteligentes se definen como "el tipo de ventanas que bloquean parcialmente la radiación solar no deseada y pueden ayudar a los edificios a mantener niveles más altos de rendimiento energético". La ventana inteligente puede darse cuenta de diferentes estímulos externos, ya sean condiciones ambientales (calor, luz, etc.) o corriente eléctrica y reaccionar cambiando sus propiedades (por ejemplo, factor solar, radiación transmitida desde el espectro solar) para controlar la temperatura interior y la luz. transmitido a través del vidrio. En consecuencia, la ventana inteligente debe controlar la absorción térmica, la absorción térmica, la transmisión térmica, la vista y la transmisión óptica. [7], [8] "El acristalamiento de transmisión variable (VTG) es una ventana inteligente donde las propiedades de transmisión varían para lograr los entornos térmicos y luminosos óptimos". [9] Los VGT también se denominan acristalamientos dinámicos o intercambiables y tienen una función de sombreado automático. Las unidades dinámicas de acristalamiento inteligente se pueden clasificar en tres categorías: crómicas (termocrómicas, fotocrómicas y electrocrómicas), dispositivos de cristal líquido y dispositivos de partículas suspendidas. Además, se pueden agrupar como acristalamiento activo y pasivo, como se muestra en la Figura 2. Los sistemas de acristalamiento activo se pueden controlar mediante un sistema de gestión de edificios (BMS) que responda a las necesidades de los ocupantes y los cambios ambientales. El acristalamiento EC tiene una mejor protección contra la radiación solar y UV en comparación con el vidrio SPD y LCD. Los sistemas de acristalamiento pasivo no necesitan estímulos eléctricos; ellos mismos cambian sus propiedades debido a estímulos naturales (p. ej., calor y luz). [10], [11]

DesignBuilder es la herramienta de simulación para el caso de estudio presentado en este documento. Es un programa de modelado ambiental fácil de usar donde podemos trabajar con modelos de edificios virtuales. EnergyPlus es el motor de simulación que se utilizará en el caso de estudio. EnergyPlus es un software listo para usar que se integra en el entorno DesignBuilder y permite realizar simulaciones completas sin salir de la interfaz. "Los cálculos de EnergyPlus se basan en las definiciones de ASHRAE con diferentes métodos para el manejo de datos". [12], [13]

El estudio consta de cinco fases: Análisis del sitio y descripción del edificio -Análisis de las especificaciones de los elementos de la envolvente del edificio y simulación de este caso base -Aplicación de soluciones de técnicas inteligentes propuestas a la envolvente y simulación de cada caso -Simulación de las cargas de enfriamiento del caso base y propuesta casos inteligentes: comparación analítica y conclusión de su eficiencia para alcanzar los requisitos de confort térmico y conservar energía.

Actualmente, los edificios de oficinas están construidos con una gran superficie exterior de vidrio y carecen de ventilación natural, lo que impacta en la calidad del aire y el confort térmico de los empleados en sus espacios de trabajo y, en consecuencia, en su salud, productividad y adaptabilidad. [14] En base a esto, el caso de estudio seleccionado es un edificio de oficinas propuesto con aproximadamente un 85% de superficie de acristalamiento simple; La Figura 3 muestra el modelo de construcción creado por las herramientas del programa de simulación. En consecuencia, esta envolvente del edificio se convierte en una carga térmica para los ocupantes, lo que conduce a un uso extensivo de tecnologías mecánicas para lograr el confort térmico. El caso de estudio está ubicado en el área del Aeropuerto de El Cairo y tiene un plano semicuadrado, como se muestra en las figuras 4–6.

4.1. Análisis de los datos

La mayoría de los espacios arquitectónicos de este edificio de oficinas tienen dos orientaciones. Así, para la planta baja y las plantas tipo se eligieron cuatro salas de oficinas, con las orientaciones Norte y Este-Norte y Oeste-Sur y Este-Sur y Oeste (como se muestra en las Figuras 7, 8 y 9), para estudiar el comportamiento térmico de estos espacios y compararlos con los límites del confort térmico. Y así mismo, se estudiarán nuevamente las mismas orientaciones para las cuatro oficinas del último piso (como se muestra en la Figura 10) para determinar el efecto de las cargas térmicas del techo.

4.2. Simulación de caso base

4.2.1. Datos de entrada

Los diálogos de Design-Builder permiten cargar datos en los espacios del modelo (diálogos de Actividad, Construcción, Aberturas, Iluminación, HVAC, Salidas y CFD). [13] Los diálogos de actividad definen los datos de uso del edificio, incluidos los datos sobre la ocupación, los puntos de ajuste de la temperatura interna, las cargas y los horarios de los equipos, las tasas de ventilación y los niveles de iluminancia. Los diálogos de iluminación identifican las densidades de potencia de iluminación para la iluminación general y de trabajo. Los diálogos de construcción identifican datos de construcción genéricos; los diálogos de apertura identifican los datos de fenestración y el tipo de acristalamiento. La Tabla 1 resume estos datos.

Tabla 1: Datos de construcción y apertura de entrada para el caso base (autor)

4.2.2. Datos resultantes

De acuerdo con los datos de entrada, la simulación se realizó el 19 de agosto, ya que la semana de diseño de verano es del 19 al 25 de agosto. La Tabla 2 incluye los resultados de los datos de confort: El promedio por hora de la temperatura operativa, la temperatura exterior de bulbo seco , y la humedad relativa.

Tabla 2: Salidas de datos de confort de la simulación del caso base (Investigador)

4.3. Re-simulación

De la simulación anterior, el edificio es térmicamente incómodo, particularmente las oficinas Sur/Este y Sur/Oeste, debido a la gran área de vidrio. En consecuencia, la siguiente sección discutirá algunos vidrios inteligentes propuestos para ser reemplazados por las unidades vidriadas actuales para mejorar el rendimiento térmico.

4.3.1. Datos de entrada

Las Técnicas de Vidrio Inteligente propuestas:

A. Acristalamiento termocrómico: el vidrio TC puede modificar sus propiedades termoópticas debido a una diferencia de temperatura en la cara externa. La película TC absorbe calor, lo que provoca una transición de fase o una reacción química. Una vez que la temperatura supera el punto de transición (65 °C, transparencia mínima), el vidrio se vuelve opaco y se vuelve transparente a temperaturas más bajas (10 °C, transparencia máxima), como se muestra en la Figura 19. El material termocrómico más común es el óxido de vanadio VO2 , que tiene una temperatura de transición de 68 °C. [6]

B. Acristalamiento electrocrómico: SAGE Electrochromics Inc. SageGlass Green 9mm lami full clear 49%T. EC consta de dos capas de vidrio, dos capas de conductores transparentes, una capa electrocrómica, un electrolito y una capa de almacenamiento de iones. Cuando está encendido, los iones salen de la capa electrocrómica y el vidrio se oscurecerá. Vuelve a ser transparente cuando se invierte la dirección del campo eléctrico (Figura 20). [6], [16]

C. Vidrio de baja emisividad: una unidad de doble acristalamiento de una capa exterior de Viracon Low E II (panel de vidrio transparente con revestimiento de baja emisividad en la superficie n.° 2)—argón de 6 mm—panel de vidrio transparente genérico de 6 mm. Los recubrimientos de baja emisividad son películas delgadas espectralmente selectivas aplicadas a una unidad de acristalamiento múltiple que dejan pasar la luz visible y bloquean las longitudes de onda IR y UV, que generalmente crean calor para reducir la emisión de calor radiante y proporcionar aislamiento térmico. El revestimiento se aplica mínimamente a una superficie de los paneles de vidrio que miran hacia la cavidad; su posición depende de las condiciones climáticas. En climas cálidos, para aumentar la reflexión y reducir la transmisión de energía solar, es mejor recubrir la superficie interior del panel de vidrio exterior (Figura 21). [17]

4.3.2 Datos de salida

La siguiente parte discutirá los resultados de las soluciones de vidrio inteligente para las oficinas seleccionadas (orientadas al Sur/Este y Sur/Oeste).

A. Acristalamiento termocrómico

TC controló efectivamente la cantidad de energía solar que pasaba a través de la ventana, proporcionando sombra. La Tabla 3 contiene gráficos que comparan la temperatura operativa de las oficinas del caso de estudio en su caso base y este caso propuesto.

Tabla 3: Salidas de vidrios Termocrómicos. (Autor)

B. Acristalamiento electrocrómico

Salidas Las ventanas electrocrómicas controlan efectivamente la cantidad de energía solar y luminosa que puede pasar a través de la ventana, proporcionando sombra. La Tabla 4 contiene gráficos que comparan las temperaturas operativas de las oficinas del caso de estudio en su caso base y este caso propuesto.

Tabla 4: Salidas de Acristalamiento Electrocrómico. (Investigador)

C. Salidas de vidrio de baja emisividad

Esta unidad de acristalamiento proporcionó control solar y térmico al tiempo que permitió niveles más altos de luz natural o transmisión de luz visible. El factor térmico (valor U) se mejora en más del 60 % en comparación con el acristalamiento simple sin revestimiento. La Tabla 5 contiene gráficos que comparan la temperatura operativa de las oficinas del caso de estudio en su caso base y este caso propuesto.

Tabla 5: Salidas de acristalamiento Low-E. (Investigador)

4.4. Cargas de enfriamiento

En este estudio de caso, se utiliza un sistema típico de unidad de aire acondicionado dividida. Un sistema dividido de una sola zona empaquetado utiliza un equipo unitario (fabricado en fábrica) que es totalmente autónomo para proporcionar calefacción y refrigeración. El sistema de unidad dividida es el sistema de aire acondicionado más común en Egipto. En este caso, se coloca el sistema split no fresh air en cada ambiente de la oficina para lograr el confort térmico. Para el edificio en su caso base y cada solución inteligente, la temperatura de consigna en cada habitación se ajusta y simula en dos ejecuciones a 23 °C (recomendado para ahorrar energía) y 20 °C (normalmente establecido). Los resultados de desempeño energético hasta el 19 de agosto se muestran en la Tabla 6 para la situación con un sistema de unidad dividida.

Tabla 6: Salidas de cargas de refrigeración (Investigador)

Rendimiento térmico: Las simulaciones anteriores demostraron la eficacia de adaptar el vidrio existente con vidrio inteligente para mejorar el rendimiento térmico del edificio, cada tipo en diferentes cantidades. Los resultados muestran que el acristalamiento electrocrómico logra el mejor rendimiento térmico ya que la temperatura operativa se reduce entre 3 y 7 °C. El acristalamiento termocrómico proporciona el rendimiento térmico más bajo, ya que la temperatura operativa se reduce entre 2 y 5 °C. De acuerdo con los resultados de la simulación, el orden de estas soluciones debido al mejor rendimiento térmico: acristalamiento electrocrómico; unidad de doble acristalamiento con revestimiento Low-E; Acristalamiento termocrómico (Figura 34).

Consumo de energía: A partir de la comparación analítica de los resultados de la simulación del edificio con las soluciones inteligentes propuestas y las unidades de aire acondicionado divididas, las envolventes inteligentes pueden reducir el consumo de energía para refrigeración entre un 21 % y un 36,4 %, según el tipo de solución, como se muestra en la Figura 35. La Figura 36 resume las salidas totales de descomposición del combustible (en kW) para el estudio de caso en su caso base en comparación con cada solución inteligente simulada cuando la temperatura de referencia de la unidad de aire acondicionado se establece en 20 o 23 °C. El consumo de energía se reduce entre un 12,5 % y un 14,5 % cuando la temperatura de consigna de la unidad dividida se cambia de 20 °C a 23.

La arquitectura inteligente contribuye a lograr los Objetivos de Desarrollo Sostenible con aplicaciones inteligentes y tecnologías modernas que se integran con la tecnología de comunicación dentro de los elementos de construcción. Este documento presenta una revisión de los sistemas de vidrio inteligente que contribuyen a crear una envolvente de edificio inteligente sostenible que aborda el cambio climático y mejora el confort térmico para los ocupantes en sus entornos construidos. Además, demuestra la posibilidad de aplicar estas soluciones inteligentes en Egipto.

La comparación analítica de los resultados de la simulación demostró la eficacia de la adaptación del vidrio existente con vidrio inteligente para adaptarse a las condiciones ambientales y mejorar el rendimiento térmico del edificio, cada tipo en diferentes cantidades. Los resultados muestran que el acristalamiento electrocrómico logra el mejor rendimiento térmico ya que la temperatura operativa se reduce entre 3 y 7 °C. El acristalamiento termocrómico proporciona el rendimiento térmico más bajo, ya que la temperatura operativa se reduce entre 2 y 5 °C. El análisis energético muestra que la aplicación de unidades de aire acondicionado divididas en espacios con las soluciones de vidrio inteligente propuestas puede reducir el consumo de energía para refrigeración entre un 21 y un 36,4 %, según el tipo de solución simulada. El acristalamiento termocrómico tiene los mejores resultados ya que ahorra aproximadamente un 36,40% del consumo de energía. Aunque el acristalamiento electrocrómico tiene un mejor rendimiento térmico, ahorra alrededor del 21 % del consumo de energía, ya que utiliza electricidad.

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