Calibration methodology of modified solar factor for the optimazation of the thermal energy demand and lighting performance in climates with marked variability, Chile

Abstract

Las variables que permiten determinar el desempeño energético de una edificación se basan en simplificaciones de la realidad utilizando para ello indicadores de un solo valor como respuesta a la interacción climática como es el valor de transmitancia térmica y admitancia térmica entre otros, sin embargo, la variabilidad estacional y horaria condiciona la respuesta de los elementos que componen un edificio de un modo dinámico. Esta dinámica se produce por la respuesta física natural de los materiales y del ambiente interior a los cambios de las condiciones de borde. El estudio del desempeño lumínico ha evolucionado incorporando indicadores que han asumido la variabilidad del comportamiento solar y de las condiciones estacionales del cielo local obteniéndose con ello aproximaciones más precisas y cercanas a la realidad. Estas limitaciones asociadas a la forma de abordar el desempeño energético y ambiental han sido parte esencial de las evaluaciones estáticas, las que permitieron un significativo desarrollo en el análisis energético de las edificaciones. Actualmente estas limitaciones han sido superadas por los programas de simulación dinámica. Sin embargo, dada la simplificación de las aproximaciones estáticas, estas son consideradas como opciones válidas para realizar estudios preliminares o son aun parte de los sistemas de certificación o calificación energética, como es el caso de Chile y España. Esta Tesis Doctoral realiza un estudio a partir del Factor Solar Modificado (FSM), indicador que define la cantidad de radiación solar límite para evitar riesgo de sobrecalentamiento, evaluando el desempeño de los requerimientos contrapuestos asociados a la demanda térmicas (refrigeración/calefacción) y el desempeño de iluminación natural aplicado en climas de variabilidad estacional marcada en localidades de Chile. Esto implica evaluar el impacto que actualmente tiene sobre la edificación la utilización de valores absolutos, desconociendo el comportamiento e influencia que tienen simultáneamente sobre la demanda energética y los requerimientos de iluminación natural al utilizar este indicador estático y las opciones que subyacen bajo un mismo valor de FSM. El FSM establece una restricción para limitar las ganancias solares lo cual es positivo desde el punto de vista de las demandas de energía para refrigeración, sin embargo, puede impactar significativamente sobre los aportes de iluminación natural, pudiendo disminuir o no controlarlos adecuadamente. Ciertos indicadores de iluminación, como la Autonomía espacial de luz día (sDA:Spatial Daylight Autonomy) y la Exposición Solar Anual (ASE:Annual Sunlight Exposure), asocian aspectos temporales (dinámicos) y espaciales (superficie iluminada) combinando los aportes recibidos con el área expuesta. Otros indicadores tienen ciertas limitaciones al evaluar solo si es posible alcanzar un nivel de iluminación específico. En el caso de los indicadores térmicos, tienden a ser globales y específicos a este requerimiento sin asociar necesariamente otras dimensiones del espacio o su relación con otros indicadores de desempeño. Para contribuir al conocimiento científico en este campo, esta tesis doctoral desarrolla el cruce entre estos dos requerimientos con el objetivo de calibrar el FSM a partir de un estudio de optimización del consumo de energía y niveles adecuados de iluminación natural. Para ello se utilizan métodos experimentales con simulaciones energéticas y lumínicas utilizando el programa Design Builder. Finalmente, se realiza: un análisis de la influencia de los sistemas de protección solar definidos por el FSM sobre el consumo energético y lumínico; una evaluación del desempeño lumínico utilizando los indicadores sDA y UDI; la determinación de valores óptimos de consumo energético y desempeño lumínico para recintos de aulas escolares. Este desarrollo plantea una aproximación necesaria para abordar con mayor precisión el desafío que conlleva la toma de decisiones tempranas en el diseño arquitectónico al ser una variable que afecta la imagen del edificio. Restringir la utilización de mayor o menor superficie acristalada o implementar otras estrategias de control solar y lumínico determina la composición de la fachada y por ende, aspectos de su geometría y de las propiedades óptica que conforman el complejo del vano