Aplicando un programa CFD (Computacional Fluid Dynamics) se hace una simulación del coeficiente de ganancia de calor por radiación solar (SHGC), a través de una superficie

acristalada, de las paredes de una habitación. Se realiza el trabajo para un material utilizado en construcción y considerando que todas las superficies tienen la misma temperatura. El programa de simulación genera una base de datos de flujos de calor, sobre las paredes de la habitación, debida a la radiación solar y a los procesos de conducción y convección generados en el proceso.

Así mismo en el desarrollo de la simulación se obtiene, entre otros parámetros, la temperatura de las paredes, la temperatura del aire interior de la habitación y el coeficiente de transferencia de calor. Con los datos de flujos de calor se calcula el coeficiente de ganancia de calor y mediante un programa informático adecuado, se obtiene la distribución del coeficiente SHGC sobre las

paredes de la habitación y el comportamiento térmico del material utilizado

Ignacio Vicens, Guillermo de

Viñas Arrebola, Carmen

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
APLICACIÓN DE UN PROGRAMA DE SIMULACIÓN PARA LA ESTIMACIÓN DE 
PARÁMETROS DE GANANCIA DE CALOR POR RADIACIÓN SOLAR  EN EL 
INTERIOR DE  RECINTOS CERRADOS 
 
aVIÑAS ARREBOLA, C. ; bDE IGNACIO VICENS, G. 
 
a Departamento de Tecnología de la Edificación. Escuela Universitaria de Arquitectura Técnica - U.P.M.  
Grupo de Investigación Análisis Térmico y Ventilación en la Ingeniería y la Edificación. 
 carmen.vinas@upm.es 
b Departamento de Tecnología de la Edificación. Escuela Universitaria de Arquitectura Técnica - U.P.M.  
Grupo Energía, Edificación y Patrimonio. 
Guillermo.deignacio@upm.es 
 
 
RESUMEN 
Aplicando un  programa CFD (Computacional Fluid Dynamics) se hace una simulación del 
coeficiente de ganancia de calor por radiación solar (SHGC), a través de una superficie 
acristalada, de las paredes de una habitación. Se realiza el trabajo para un material utilizado en 
construcción y considerando que todas las superficies tienen la misma temperatura. El programa 
de simulación genera una base de datos de flujos de calor, sobre las paredes de la habitación, 
debida a la radiación solar y a los procesos de conducción y convección generados en el  proceso. 
Así mismo en el  desarrollo de la simulación se obtiene, entre otros parámetros, la temperatura de 
las  paredes, la temperatura del aire interior de la habitación y el coeficiente de transferencia de 
calor. Con los datos de flujos de calor se calcula el  coeficiente de ganancia de calor y mediante 
un programa informático adecuado, se obtiene la distribución del coeficiente SHGC sobre las 
paredes de la habitación y el comportamiento térmico del material utilizado. 
 
1.- INTRODUCCIÓN 
 
Actualmente la adecuación bioclimática de la arquitectura ha llevado a introducir el término de 
Tecnología Bioclimática de la Arquitectura. Se engloba dentro de tecnología bioclimática técnicas 
de ventilación natural, iluminación natural, climatización natural, autosuficiencia energética….e 
introducción  de nuevos sistemas y materiales  constructivos.  Además dicha tecnología no  olvida 
que se debe preservar el medio ambiente, para  lo cuál las construcciones tienen que tener en 
cuenta, también, un uso adecuado del agua, una adecuada disposición de deshechos sólidos y un 
tratamiento adecuado de aguas residuales. En definitiva la arquitectura bioclimática debe de 
considerar tanto el confort de manera global como el ahorro energético y, en este  sentido, 
actualmente cada vez son más los proyectos de arquitectura que  lo tienen en cuenta en edificios 
de viviendas y en edificios destinados a servicios  públicos [1].  
 
La energía solar es la fuente principal de climatización en una vivienda bioclimática. Su 
captación se realiza aprovechando el propio diseño de la vivienda, y sin necesidad de utilizar 
sistemas mecánicos [2]. Existen instrumentos de ayuda al correcto diseño energético de los 
edificios, que pueden ser utilizados para evaluar el comportamiento interno y externo de los 
mismos. Una forma de evaluar energéticamente un edificio es mediante los programas de 
simulación [3]. Los programas de simulación transitoria permiten, a partir de datos climáticos del 
emplazamiento y de la descripción de sus elementos constructivos, realizar una simulación horaria 
de las condiciones exteriores e interiores y estudiar la interacción y repercusión con cada unos de 
dichos elementos mediante la resolución de diferentes ecuaciones dinámicas de transferencia de 
calor y de flujos acoplados.   
 
Otra forma de simulación de edificios es mediante la utilización de  programas CFD 
(Computacional Fluid Dynamics) [4], los cuales permiten construir modelos en 2D y 3D y predecir 
la distribución de velocidades, presiones y temperaturas del  flujo en el interior de un edificio para 
casos de ventilación (natural y forzada), calefacción, refrigeración, aire acondicionado y radiación 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
solar. En consecuencia, con estos programas de simulación se puede predecir con precisión la 
demanda y el  consumo de un edificio cuando todavía está en su fase de proyecto, lo que permite 
introducir las mejoras necesarias para optimizar su comportamiento  térmico. 
 
Con este propósito  el objetivo de este trabajo para el material considerado es, por un lado, 
estudiar la distribución del flujo de calor que por radiación solar obtienen las paredes de una 
habitación cuando la radiación solar directa incide, a través de un cristal, en sus paredes. Por otro 
lado, calcular el coeficiente de ganancia de calor (SHGC) [5] en las paredes de la habitación. 
Finalmente utilizando el programa informático Surfer determinar la distribución del coeficiente de 
ganancia de calor, para las paredes que se encuentran expuestas a la radiación solar, con el fin 
de conocer su comportamiento en toda la superficie de las mismas. 
 
Para la simulación utilizamos el programa  STARD_CD [6] empleado, por el grupo de 
investigación Análisis Térmico y Ventilación en la Ingeniería y la Edificación, en trabajos de 
ventilación natural y forzada así como en la determinación de índices de calidad de aire.  
 
 
2.- DESCRIPCIÓN DEL MODELO  
 
Utilizando la aplicación STAR-Design del programa STAR_CD se ha diseñado una habitación de 
dimensiones 6m×4m×3m (fig.1). En el techo de la habitación y centrado en el mismo se ha 
colocado una ventana de cristal de dimensiones 1m×1m. El sistema de referencia elegido tiene el 
eje X según la dirección S-N,  el eje Y en la dirección E-W y, finalmente, el eje Z corresponde a la 
dirección vertical.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Y (Oeste) 
Z
X (Norte) 
Figura.1 Esquema general de la habitación utilizada en modelo 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Desde STAR-Design se malla  el modelo, utilizando una  malla tetraédrica y tomando 1000 
iteraciones para la convergencia del mismo (fig.2). A partir de aquí con el programa Pro-STAR de 
STAR_CD  se realiza la modelización mediante la aplicación de radiación solar.  
 
 
      
 
 
                        
 
STAR_CD considera que la radiación solar entra, en un encerramiento, a través de una 
superficie acristalada y que solamente absorben calor aquellas superficies interiores que recibe 
radiación directa. Básicamente el programa lo que hace es calcular los flujos de calor que por 
radiación, convección y conducción se originan en el proceso resolviendo las ecuaciones de 
Navier-Stokes y la ecuación de la energía. Considera que el flujo de calor qw&  en W.m2 que gana 
una pared, por radiación solar, es debido al flujo de calor por  radiación solar directa mas al flujo 
de calor por convección y conducción de  acuerdo con la siguiente ecuación: 
 
 
                                                           w r c dq q q q= + +& & & &                                                      (1) 
 
 
 
En este primer trabajo, del estudio de la distribución en una pared del  coeficiente de ganancia 
de calor, a partir de  la base de datos de flujos de calor obtenida con el programa STAR_CD se ha 
tratado de simplificar el problema. Por ello se ha realizado un modelo de habitación en donde 
todas las paredes, incluido suelo y techo, tiene de resistencia térmica 0.63. Las condiciones 
iniciales de temperatura en las paredes y en el cristal de la ventana es de 26.85 ºC, la temperatura 
del aire de la habitación de 24.85 ºC y el cristal es un cristal corriente de transmisividad próxima a 
la unidad de resistencia térmica muy baja (0.05 W-1 ºC m2). En cuanto a los datos de radiación 
solar incidente en la ventana se toma 350 W.m-2 de radiación solar, 50º de altitud solar y 40º de 
azimut solar.     
 
3.- RESULTADOS 
 
Con el modelo descrito, con la condiciones de entrada especificadas y tomando, en este caso, 
500 iteraciones para la convergencia de las magnitudes físicas que calcula el programa, se 
obtiene la distribución del flujo de calor por radiación solar directa y por convección-conducción en 
W. m-2 para las paredes de la habitación (fig.3), (fig.4).    
 
En la figura.3 se observa que las superficies laterales, de la habitación, que ganan calor por 
radiación solar son la  pared Norte y la pared Este. Por tanto, son estas paredes las que están 
Figura.2 Mallado tetraédrico del modelo 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
recibiendo radiación solar directa. Como se esperaba la ventana absorbe, prácticamente, toda  la  
radiación solar. Esta radiación, del orden de 268 W/m2, es transmitida, por las partículas de aire 
del interior de la habitación, hasta las paredes Norte y Este. 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La figura.4a muestra la distribución del flujo de calor, generado en el proceso por convección-
conducción, en la pared Norte y en la pared Sur. Existiendo pequeñas pérdidas  en la parte 
superior de ambas paredes, entorno a la superficie del techo.   
 
 
 
                             
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura.3 Distribución del flujo de calor por radiación solar 
directa en las paredes de la habitación.  
Figura.4 Distribución del flujo de calor por convección-conducción en las paredes 
de la habitación. (a) Muestra en flujo en todas las paredes. (b) Muestra el 
flujo en la pared Norte, en la pared Este y en el suelo. 
 
(a) 
(b) 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
De la figura.4b se desprende que la pared Sur pierde calor manteniendo, sin  embargo,  su 
temperatura inicial de 300k (26.85ºC) esto se atribuye a que el calor que gana por conducción, 
desde la pared  Este y desde el techo, se invierte en elevar la temperatura del aire en el proceso 
de convección que se producen en la Capa Límite de dicha pared. Semejante situación presenta 
la pared Oeste y la superficie del suelo.  
 
Se presenta en  la  figura.5 la distribución de la temperatura en todas las superficies de la 
habitación, después del proceso de transferencia de calor, respecto a la temperatura inicial que se 
toma de referencia. Los resultados indican que las paredes que no reciben radiación solar no 
experimentan, prácticamente, variación en su temperatura inicial de 27 ºC (300K) (fig.5(b)) 
mientras que las que reciben radiación directamente incrementan su temperatura tanto más 
cuanta más radiación solar directa reciben. Este incremento de temperatura, respecto de la inicial, 
puede parecer, en principio, muy grande pero hay que tener en cuenta que el modelo se considera 
herméticamente cerrado, lo significa que no existen filtraciones que permitan la entrada y salida de 
aire y que puedan influir en el flujo de calor por conducción-convección y,  en consecuencia, en la 
temperatura de las paredes. 
 
 
 
 
 
          
                                          
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El proceso de transferencia de calor que tiene lugar en el interior de la habitación no sólo afecta 
a las paredes, sino también al aire interior de la habitación produciéndose una variación de su 
temperatura respecto de la inicial. La figura.6a muestra la distribución de la temperatura, en valor 
absoluto, del aire de la habitación y de las paredes. La  figura.6b muestra la distribución horizontal 
de la temperatura del aire de la habitación, en este proceso, para un plano de la misma a z = 
1.50m. 
 
 
 
Figura.5 Distribución de la temperatura de las paredes en el interior de la 
habitación. (a) Muestra la temperatura en todas las paredes. (b) 
Muestra la temperatura en cuatro paredes: Norte, Sur, Este y suelo. 
 
(a) (b) 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Observamos (fig.6), por un lado, un incremento general del la temperatura del aire y, por otro 
lado, que la capa límite de aire en las paredes laterales Sur y Oeste aumenta su temperatura, 
hasta alcanzar la temperatura inicial de dichas paredes. Para las capas límite de aire de las 
paredes más calientes (pared Norte y pared Sur) su temperatura, coincide en todos los puntos, 
con los valores obtenidos en la figura. 5. Existiendo, en consecuencia, correlación entre los dos 
resultados. 
 
La masa de aire, en la habitación, aumenta su temperatura por el flujo de calor que por 
convección se genera en las Capas Límites de las superficies más calientes  transmitiéndose, por 
este proceso, el calor al resto de las partículas de aire de la habitación. La convección genera 
velocidades del aire en las tres direcciones de la habitación, así como en sus respectivas Capas 
Límites. En este trabajo no se ha analizado el comportamiento de la velocidad del aire dado que 
no era, en principio, el  objetivo del mismo  dejando, por tanto, su análisis para  posteriores 
trabajos. 
    
 A partir de la base de datos, de flujo de calor por radiación solar y por conducción-convección 
en las paredes, hemos calculado el coeficiente de ganancia de calor (SHGC). El coeficiente  se 
calcula para una pared, en concreto, para la pared Norte ya que en términos globales es la que 
más calor gana, dejando el estudio del coeficiente SHGC del resto de las paredes para futuros 
estudios (fig.7).  
 
     
                             
 
 
 
 
                                                                                            
Figura.6 Distribución de la temperatura en las paredes y del aire interior de la 
habitación. (a) Muestra la temperatura en toda habitación. (b) Distribución 
de la temperatura del aire para el  plano z = 1.50m 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                             
 
 
   
 
 
 
 
 
 
 
 
El coeficiente de ganancia de calor (SHGC) es una medida relativa del flujo de calor que una 
superficie gana por radiación solar, a través del cristal de una ventana, respecto a la radiación 
solar que incide sobre dicha ventana [7]. El  valor SHGC está comprendido entre 0 y 1, 
correspondiendo la unidad al valor máximo del parámetro y cero al mínimo.  
 
Utilizando la ecuación  
 
                                                 
,
w
r iv
qSHGC
q
= &&                                                   (2) 
 
 
donde ,r ivq&  es la radiación solar incidente sobre la ventana en W.m-2, se calcula el coeficiente 
SHGC para cada uno de los puntos de la malla correspondiente a la pared Norte. Con la nueva 
base de datos y utilizando el programa informático Surfer se calcula la distribución del coeficiente 
SHGC (fig.8). 
 
 
Figura.7 Flujo de calor en la pared Norte. (a) por radiación 
solar directa y (b) por convección. 
(a) (b) 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50
Y (m)
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
Z(
m
)
 
 
 
 
 
 
 
 
Se puede considerar (fig.8) que el  valor medio del coeficiente SHGC de la pared de resistencia 
térmica 0.63 W-1 ºC m2, correspondiente al de un material de madera, es aproximadamente 0.50 lo 
que indica una ganancia de calor modera debida fundamentalmente a la radiación solar incidente 
sobre la pared. Observamos un gradiente importante del SHGC hacia la zona donde existe, 
también, aumento del flujo de calor por conducción y convección. Estos resultados indican, por 
una parte, como era de esperar, que existe concordancia con los resultados obtenidos en las 
distribuciones de flujos y temperaturas y, por otra parte, que el material  utilizado en el  modelo  en 
cuanto a su  comportamiento térmico, tiene una inercia térmica bastante buena dado que para un 
aumento, relativamente pequeño, de los  flujos de calor el gradiente del coeficiente de ganancia 
de calor es significativo respecto de las dimensiones de la superficie en donde se está 
produciendo su variación.  
 
 
3.- Conclusiones 
 
Utilizamos el programa STAR_CD para simular  el flujo de  calor, en las  paredes interiores de 
una habitación, debido a la radiación solar que  incide sobre una ventana acristalada situada en el 
techo de dicha habitación. Con la base de datos generada en el programa se calcula el coeficiente 
de ganancia de calor en la pared Norte y mediante el  programa Surfer realizamos la distribución 
de dicho parámetro sobre la pared en estudio. 
 
Del trabajo desarrollado podemos  concluir: a) El proceso de mallado realizado con  el programa 
de simulación STAR-CD permite conocer la distribución, sobre las paredes de la habitación, de los 
flujos de calor por radiación solar directa y por conducción-convección. Así mismo permite conocer 
la distribución de temperatura de las paredes y del aire interior de la habitación. b) Existe 
concordancia, por zonas, entre la distribución de los flujos generados y la distribución de 
temperatura. c) Mediante la utilización de programas de simulación se puede predecir el 
coeficiente  de ganancia de calor y, por lo tanto, la inercia térmica de los materiales que se van a 
Figura.8 Distribución del coeficiente de ganancia de calor 
(SHGC) en la pared Norte de la habitación. 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
utilizar en una edificación  antes de ser construida. d) Se puede construir un prototipo de 
edificación en el que, mediante la variación de las condiciones de contorno, el comportamiento 
térmico de las paredes sea semejante al buscado previamente mediante el modelo de simulación. 
 
El  trabajo  pretende servir de base a futuros trabajos sobre el comportamiento térmico de 
materiales utilizados en construcción y sobre climatización natural en edificios, ya que 
dependiendo del clima donde se ubique el  edificio será  necesario promover o no el control  solar 
y la  ventilación para disipar o no las ganancias térmicas del mismo. 
  
Referencias 
[1] C. Isaksson and F. Karlsson. Indoor climate en low -energy house- an interdisciplinary investigation. Building and 
Enviroment. 2006. vol. 41 (12), pp. 1678- 1690. 
[2] N. Artmann; H. Manz and P. Heiselberg. Climate potential for passive cooling of buildings by night-time ventilation  in 
Europe. Applied Energy.  August 2006. (Artículo en prensa) 
[3] O. Ozgener y A. Hepbasli. A parametrical study on the energetic and exergetic assessment of a solar-assisted 
vertical ground-source heat pump system used for heating a greenhouse. Building and Enviroment. 2007. vol. 42 (1), 
pp. 11- 44. 
[4] D.J. Harris and N. Helwig. Solar chimney and building  ventilation. Applied Energy. 2007.vol. 84 (2), pp. 
135- 146. 
[5] E. Wurtz;  L. Mora y  C. Inard.  An equation-based simulation environment to investigate fast building simulation. 
Building and Enviroment. 2006. vol. 41 (11), pp. 1571- 1583. 
[6] C. Viñas; B. Blasco y J.C. Losada. Ventilación en la Edificación: Medida y simulación virtual. Libro de Actas de la I 
Jornadas de Investigación en la Edificación. 2006. Escuela Universitaria de Arquitectura Técnica. Universidad 
Politécnica de Madrid. 
[6] Yunus A.  Çengel. Transferencia de Calor. 2004. Editorial McGraw-Hill. Segunda Edición. 
 
 
 
 
     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Aplicación de un programa de simulación para la estimación de parámetros de ganancia de calor por radiacion solar en el interior de recintos cerrados

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