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El patio como herramienta de diseño para la Eficiencia Energética

El conocimiento del comportamiento termodinámico de los patios en fase de proyecto permite evaluar el potencial de ahorro energético en los edificios.

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El estudio Arquitectos Hombre de Piedra y la Universidades de Sevilla y Cádiz (Escuelas de Ingenieros, Arquitectura y Facultad de Matemáticas), en el marco de un Proyecto de Excelencia Investigadora de la Junta de Andalucía, han realizado un estudio sobre el comportamiento termodinámico de los patios en sus diversas manifestaciones.

El objetivo del estudio era analizar las características físicas de los patios como espacios que presentan especial interés para la eficiencia energética de los edificios que los contienen, así como para el propio acondicionamiento de los mismos. Es sabido que el patio es un elemento característico de la arquitectura tradicional mediterránea, en el que se consigue crear unas buenas condiciones microclimáticas, especialmente en verano, que permiten reducir las necesidades energéticas de acondicionamiento del edificio, y al mismo tiempo se mejoran las condiciones de confort térmico del propio patio. Este comportamiento, es consecuencia de los balances de energías entrantes y salientes ligados al movimiento del aire en el patio.

En la arquitectura contemporánea existen experiencias de edificios que aprovechan de forma consciente las condiciones microclimáticas del aire del patio para inducir un considerable ahorro energético en los edificios (el hotel Motemálaga en Málaga, es uno de los casos estudiados).

Pero hasta ahora se carecía de un marco cuantitativo validado que permita calcular objetivamente y en fase de proyecto los ahorros que un determinado diseño de patio podría conseguir. La investigación del grupo se propuso desarrollar tanto las herramientas de cuantificación como estudiar paramétricamente las distintas características termodinámicas y potencialidades de ahorro, de distintos los diseños de patios.

Necesidad de estudio detallado de los patios

El efecto atemperante de los espacios de transición se debe al juego de interacciones termomecánicas entre las paredes sólidas y el aire que circula en ellos. Básicamente este efecto se debe a que el aire frío es más denso que el caliente, por lo que el primero tiende a permanecer cerca del suelo. Este efecto se prolonga en el tiempo debido al confinamiento del aire que tiene lugar en este tipo de espacios. El contacto prolongado entre el aire fresco y las paredes hace que éstas tiendan a refrescarse.

Sin embargo, diversos efectos producen variaciones en este proceso: Geometría del espacio de transición,  irradiación solar, presencia de vegetación, fuentes, características térmicas de las paredes, coberturas mediante toldos y, muy especialmente, aberturas que originan salidas o entradas de aire en el espacio.

Varios de estos efectos originan vórtices de aire ascendente-descendente en el interior del espacio, lo que puede cambiar de forma importante sus propiedades atemperantes. Un diseño eficaz del espacio de transición que permita utilizar estas propiedades, requiere de un conocimiento cuantitativo de cómo este diseño genera una distribución de temperaturas en el espacio, en función de las condiciones ambientales.

Este tipo de problemas entra en el marco de la Dinámica de Fluidos Computacional (en adelante, CFD siglas de “Computational Fluid Dynamics”) mediante la cual se pueden simular con precisión el comportamiento mecánico y térmico de un flujo de fluido (en este caso, el aire) en una zona determinada del espacio, bajo unas condiciones ambientales dadas.

El papel de la CFD en el diseño ecoeficiente de espacios de transición es semejante al de los programas de cálculo de estructuras en el diseño mecánico de edificios arquitectónicos. El escaso uso de la CFD en el diseño arquitectónico hasta el momento se debe en buena medida a la complejidad de los programas informáticos que simulan flujos de fluido que circunscriben su uso al ámbito científico más que al profesional. Como uno de los productos finales de la investigación, está prevista la generación de una herramienta cuantitativa basada en CFD de uso profesional.

Caracterización del movimiento de aire en patios

La complejidad inherente al movimiento de aire en espacios abiertos, es mayor aún debido a la diversidad de formas, materiales y a las propias causas del movimiento del aire. Así, hasta ahora, sólo para formas muy concretas se ha podido caracterizar dicho movimiento, dando lugar a una generalización del movimiento de aire esperado en función de una serie limitada de parámetros.

Por otra parte, es necesario distinguir entre las causas del movimiento del aire, lo que se conoce como convección forzada, o natural. La primera de ellas, la convección forzada, consiste en un movimiento del aire por causas externas al mismo, que en un espacio abierto sería por el viento. Mientras que el movimiento del aire se dice que es por convección natural cuando se debe al calentamiento o enfriamiento del aire que provoca micro diferencias en la densidad del mismo y por tanto en su flotabilidad, lo que hace que ascienda o descienda respectivamente.

Patrones de flujo de aire y temperaturas en patios. Movimiento debido a influencia externa

Ejemplo de esta caracterización la encontramos en el trabajo realizado por el Grupo de Termotecnia de la Universidad de Sevilla (Sánchez, 2003). En la imagen anterior se muestra de manera resumida los principales tipos de movimientos de aire que se pueden encontrar en un patio en función de su profundidad, siendo todos ellos de tipo convección forzada. A la izquierda, los resultados de las simulaciones con programas de CFD para patios con diferentes profundidades. Así, para patios poco profundos (P<1), el aire exterior entra fácilmente en el patio, sin que se produzcan vórtices, y  llegándose a velocidades próximas a las exteriores. En patios tan altos como anchos (P=1), se produce un vórtice que ocupa la práctica totalidad del mismo, lo que reduce la entrada de aire exterior, lo que lo convierte en un espacio térmicamente separado del exterior. Efecto que es tanto mayor cuanto mayor es esta profundidad, como puede verse en la tercera figura (P>1). Este efecto sobre las temperaturas del aire del patio, lo podemos ver en esta misma figura, a la derecha.

A partir de los resultados del modelo CFD empleado, se pueden representar los perfiles de velocidad en función de la altura del patio para distintas profundidades P, obteniéndose así una caracterización de los mismos en función de estos parámetros:

Perfiles de velocidad longitudinal en la sección central del patio

Los tres parámetros que aparecen en este gráfico son:

  • La velocidad del aire. Expresada en función de la velocidad exterior (U/Uref).
  • La altura. Expresada en función de la altura del patio (z/H)
  • La profundidad del patio (AR)

Cuando la causa del movimiento del aire es el calentamiento o enfriamiento del propio aire, éste asciende o desciende, respectivamente, en un tipo de movimiento que se conoce como convección natural.

Movimiento debido al propio calentamiento o enfriamiento del aire en el patio

En la siguiente imagen se muestran ejemplos de movimientos de aire en patios en función de su profundidad (P), pero en este caso debido al calentamiento o enfriamiento del propio aire. En este caso, en comparación con los casos con convección forzada, la principal diferencia encontrada son las velocidades de aire encontradas, que en este último caso son mucho menores, y pudiéndose dar situaciones de estratificación.

Resultados experimentales

Los resultados numéricos mostrados anteriormente se han observado también por vía experimental en la Plaza de Santa Marta, Sevilla, y las mediciones de las temperaturas de aire dentro y fuera de él en un día típico de verano. Se observó una importante bajada de temperatura en la plaza con respecto al exterior, que en algunas horas puede llegar a ser de hasta 4ºC.

Aplicación en Hotel Monte Málaga

Se ha seleccionado el patio del edificio que aloja el Hotel de Monte Málaga por ser un ejemplo claro de uso de las estrategias termodinámicas del patio mediterráneo para la mejora de la eficiencia energética. Las áreas comunes del edificio utilizan aire de un patio profundo como parte de su climatización, beneficiándose de las temperaturas más suaves que éste tiene con respecto a las del exterior.

 Sección del edificio por el patio con representación de la circulación del aire hasta la entreplanta técnica

La monitorización de las temperaturas en el patio y en el exterior del edificio ha arrojado datos valiosos para comparar con los del modelo numérico. Como muestran los datos monitorizados, el aire que es tomado de este patio gracias a una entreplanta técnica anexa a él, llega a estar en verano hasta 9 °C más fresco que en el exterior. Gracias a estas y otras medidas, el hotel consume 100 kw h/m2 al año de la electricidad (año 2010). Esto significa que su consumo es inferior en un entorno del 50% al consumo de la media de los hoteles de la zona con características similares que es 165-200 kw h/m2 por año según datos del IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía. Ministerio de Ciencia y Tecnología, “Ahorro de Energía en el Sector Hotelero. Recomendaciones y soluciones de bajo riesgo”).

Temperatura exterior monitorizada el día 27-04-2010 en color rojo.

Temperatura exterior monitorizada el día 27-04-2010 en color rojo. La temperatura correspondiente al interior del patio en color azul. 

A continuación, se realiza una traducción matemática de la geometría de la sección del edificio para su introducción en el modelo numérico. Cada uno de los tramos del contorno se identifica adecuadamente con una letra, marcando especialmente la situación de la sonda en dónde se medirá la temperatura tanto en el patio real como en el modelo. Sobre cada tramo se estudia la radiación incidente debido al soleamiento de forma que podemos introducir la evolución de las temperaturas en el tiempo de cada uno de estos tramos. Esto, junto a la introducción de la evolución en el tiempo de las temperaturas del aire exterior, es muy importante pues el comportamiento del patio será muy diferente si las temperaturas de sus paredes fuera superior o inferior a la exterior. Como veremos en la simulación, en el primer caso las paredes del patio serán un foco térmico propiciando fenómenos de convección, en el segundo, un sumidero térmico facilitando fenómenos de estratificación.

Modelo numérico generado del edificio, sección por el patio. Temperatura obtenida (en colores) y malla adaptativa. Comportamiento diurno: estratificación.

Observamos ahora los resultados de la simulación realizada para el presente trabajo en la que hemos añadido el viento y por tanto los patrones de flujo a todos los demás factores ambientales correspondiente a las condiciones exteriores del día 27/04/2010.

Hay que tener en cuenta que nos encontramos ante el estudio de un patio complejo suma de dos patios más sencillos. Uno, el grande de manzana con una proporción cuadrada (P cercano a 1) y otro más profundo, que parte del fondo del anterior, con una profundidad P mucho mayor (P=3). Se observa que durante el día, las paredes del patio tienen una temperatura considerablemente inferior a la exterior comportándose como un sumidero térmico. El aire exterior más cálido en contacto con estas paredes es rápidamente enfriado cayendo a plomo al fondo del patio por su mayor densidad. Por tanto estamos ante un fenómeno de estratificación que acumula aire fresco en el patio. Este alcanza durante las horas medias del día una temperatura sensiblemente inferior a la del exterior.

Por la tarde, la temperatura de las paredes aumenta por la radiación especialmente en el patio grande de manzana. Al convertirse las paredes del patio en foco térmico, los penachos de flujos de aire calientes ascienden interactuando con los patrones de flujos inducidos por el viento.

Por tanto por la tarde y sobre todo por la noche, como las temperaturas exteriores bajan, muchos días al año, las temperaturas en el patio son superiores a las exteriores. Es lo que muestra la monitorización de las temperaturas del día 05/05/2010, pero no las del día de estudio 27/04/2010, donde las temperaturas del patio tanto real como simulado en el punto de control también bajan lo suficiente como para no cruzarse con las del exterior, manteniéndose siempre por debajo de estas, aunque por escaso margen.

Modelo numérico generado del edificio, sección por el patio. Módulo (en colores) y dirección (líneas) de la velocidad del aire en torno al edificio

En el patio de manzana, amplias estructuras de recirculación, afectan sobre todo al aire de este espacio. El patio profundo queda más aislado constatando lo estudiado para patios sencillos de mayor profundidad  P en relación a los patrones de flujo (que interaccionan menos con el exterior). Pero además aquí se observa que el detalle de la geometría que se estrecha en la parte superior del patio profundo colabora en esta tendencia al confinamiento. Es la extracción inducida desde el suelo del patio profundo la que se encarga de hacer que las condiciones del patio no sean extremas, permitiendo tomar aire del patio de proporción cuadrada de condiciones más equilibradas a la par que se evita, como se estudió, concentraciones excesivas de olores y contaminantes. Es decir, en el edificio real, el sobrecalentamiento y el enrarecimiento del aire en el patio profundo son evitados asegurando una renovación inducida que se ha introducido en la simulación.

Se pudo comprobar cómo las temperaturas calculadas por el modelo reproducen bien las reales por lo que podemos decir que a pesar ser este sólo un primer paso limitado en el tiempo (se simula un solo día) y en el espacio (estudian el fenómeno sólo en dos dimensiones) el modelo creado simula con suficiente aproximación las condiciones medias reales en el interior del patio.

Por ello este tipo de acercamiento mediante modelos numéricos puede representar una ayuda considerable en el diseño energéticamente eficiente y por tanto sostenible de los edificios. Conocer esta temperatura de un patio durante el proceso de diseño nos permitirá tomar decisiones más objetivamente para aprovechar esta cualidad. Pero para que esto sea posible, una vez demostrada su potencialidad en el ámbito científico, es necesario seguir desarrollando la herramienta de forma que mejoramos su precisión y usabilidad en el hábito profesional. Esa es una de los retos futuros del Grupo PATIO, (Proyectando Arquitecturas de Transición, una Investigación Objetiva, TEP-7985 Programa 2011 de Excelencia Investigadora de la Junta de Andalucía).

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