Análisis del comportamiento térmico y fluido-dinámico de las fachadas ventiladas de junta abierta

Abstract

El objeto de la presente Tesis Doctoral es el estudio del comportamiento térmico y fluido dinámico de las fachadas ventiladas de junta abierta. Este término hace referencia a un sistema constructivo compuesto, de interior a exterior, por un muro macizo con aislamiento a cara exterior, seguido de una cámara de aire ventilada y una capa de revestimiento compuesta por plaquetas opacas. La especificación ¿de junta abierta¿ proviene de las ranuras de separación existentes entre plaquetas, que configuran una ventilación de la cámara totalmente distinta al resto de las fachadas ventiladas. Dada la escasa bibliografía científica existente sobre este tipo de fachadas, el presente trabajo pretende ser un punto de partida en el análisis del comportamiento energético de este tipo de fachadas, y para eso se ha realizado un estudio experimental y numérico del comportamiento térmico y fluido dinámico de las fachadas ventiladas de junta abierta en condiciones de radiación solar y viento en calma. Se ha diseñado y construido una unidad experimental que consiste en una fachada ventilada con una altura de 0.825 m, y un ancho de 0.3 m, compuesta de 4 plaquetas metálicas de dimensiones 0.3 x 0.2 x 0.001 colocadas con una separación horizontal de 5 mm. La radiación solar se ha simulado por medio de mantas térmicas autoadhesivas colocadas sobre la superficie exterior de las plaquetas. Este modelo tiene las mismas dimensiones de hueco de aire y separación entre placas que una fachada ventilada de junta abierta real. La altura, sin embargo, es 2/3 de la correspondiente al espacio entre ventanas en una fachada real. Esto se ha hecho así para asegurar condiciones de flujo turbulento similares a las de una fachada real a la vez que se permite su estudio en condiciones de laboratorio. Los campos de velocidades se han obtenido usando la técnica de velocimetría de partículas por imágenes (PIV), mientras que las medidas de temperatura se han realizado usando sensores Pt100 y una cámara termográfica. Se han realizado medidas de temperatura y velocidad en el plano vertical central del modelo, para diferentes condiciones de temperatura ¿equivalentes a distintos valores de radiación solar- que corresponden a los números de Rayleigh: 1.52x109, 1.02x108, 5.94x108, 4.30x108, y 4.12x108. Estos ensayos han permitido analizar las características del flujo de aire en el interior de la cavidad, bajo las diferentes condiciones estudiadas, y obtener una buena descripción de los complejos fenómenos de convección natural inducidos por la radiación solar. De forma complementaria a la investigación experimental, se ha desarrollado un modelo numérico de CFD (Computational Fluid Dynamics). Se han resuelto las ecuaciones de flujo de Navier-Stokes incluyendo la ecuación de la energía sobre una geometría 3D idéntica al modelo utilizado en los ensayos experimentales. Para ello se ha utilizado un mallado con un número total de 500.000 celdas, donde se ha realizado un análisis de sensibilidad de diferentes modelos RANS de turbulencia y de radiación. La comparación con los resultados obtenidos experimentalmente ha permitido la validación del modelo numérico y la determinación del modelo de turbulencia k-¿ RNG y del modelo de radiación DO (Discrete Ordinates) como los que mejores resultados obtienen. Por último, el modelo numérico desarrollado y validado anteriormente, se ha utilizado para simular una fachada ventilada de junta abierta basada en dimensiones reales, y los resultados se han comparado con los de una fachada convencional con cámara de aire sellada de idénticas dimensiones. La comparación entre los resultados ha permitido concluir que bajo las mismas condiciones de radiación solar y temperatura exterior, las fachadas ventiladas de junta abierta consiguen que las temperaturas en el interior del cerramiento sean más bajas, característica que pueden ayudar a conseguir importantes ahorros de energía en climas con veranos calurosos e inviernos templados.