Diseño innovador de chimenea solar para edificios: modelado y optimización

Abstract

Conseguir los objetivos definidos por la Unión Europea en el horizonte 2030-250 y frenar los efectos del cambio climático, hacen esencial el empleo de técnicas de ahorro y eficiencia energética en todos los sectores económicos. El sector de la edificación comprende una gran parte del consumo mundial. Reducir la demanda energética de los edificios a través de técnicas pasivas que consigan aprovechar el potencial térmico del exterior, se convierte en la piedra angular de los movimientos actuales relacionados con el ahorro y la eficiencia energética. Unido a todo esto, se presenta la crisis sanitaria acutal provocada por el COVID-19, donde se ha puesto de manifiesto, más si cabe, la importancia de la calidad del aire en espacios interiores donde los habitantes de todo el mundo pasan la mayor parte de su tiempo. Así, el objetivo principal de este documento será el diseño y modelización de una técnica de ventilación pasiva consistente en una chimenea solar con capacidad de almacenamiento térmico durante el día y sistema de ventilación natural nocturna. Se optimiza la captación solar mediante el aumento del área de intercambio a través de la inclusión de aletas permitiendo aumentar el tiro generado en la chimenea. El documento incluye una primera parte de introducción, incluyendo el contexto actual, revisión de las estrategias de confort para interiores y se realiza una revisión de la literatura sobre chimenea solar. Se presenta el principio de funcionamiento general para las chimeneas solares, así como el diseño de la chimenea propuesta. Se presenta el modelo térmico en detalle, así como los resultados del análisis de sensibilidad para maximizar la componente solar y el estudio paramétrico para conocer la influencia de las distintas variables. Finalmente, se muestra el prototipo diseñado siguiendo el modelo térmico definido.

Achieving the objectives defined by the European Union in the 2030-250 horizon and curbing the effects of climate change make the use of energy-saving and efficiency techniques essential in all economic sectors. The building sector comprises a large part of world consumption. Reducing the energy demand of buildings through passive techniques that manage to take advantage of the thermal potential of the exterior, becomes the cornerstone of current movements related to energy saving and efficiency. Together with all this, the current health crisis caused by COVID-19 is presented, where it has become evident, even more, if possible, the importance of air quality in indoor spaces where the inhabitants of the whole world spend most of it of his time. Thus, the main objective of this document will be the design and modeling of a passive ventilation technique consisting of a solar chimney with thermal storage capacity during the day and a natural ventilation system at night. Solar capture is optimized by increasing the exchange area through the inclusion of fins, allowing the draft generated in the chimney to be increased. The document includes the first part of the introduction, including the current context, a review of the comfort strategies for interiors, and a review of the literature on solar chimneys. The general operating principle for solar fireplaces is presented, as well as the proposed chimney design. The thermal model is presented in detail, as well as the results of the sensitivity analysis to maximize the solar component and the parametric study to know the influence of the different variables. Finally, the prototype designed following the defined thermal model is shown.