Simulación sistema calefacción – Parte 2 de 4

Descripción y preparación del caso

En los últimos años la eficiencia térmica en edificios ha pasado a ser una de las principales preocupaciones de los arquitectos e ingenieros a la hora de diseñar y construir un edificio. Según el IDAE de media, en los hogares españoles, la calefacción puede llegar a representar hasta un 64% del consumo de una vivienda unifamiliar. Es por ello interesante, tanto desde un punto de vista económico como medioambiental una reducción del gasto.

En la actualidad la mayoría de edificios y viviendas disponen de una calefacción por radiadores de agua. La colocación de estos resulta crítica en la eficiencia energética y en el confort de los inquilinos. Normalmente los radiadores se sitúan justo debajo de las ventanas. Muchas veces se suelen pensar que esto es debido a que debajo de las ventanas no hay muebles y es un buen sitio para situarlos, sin embargo, se ponen ahí por una razón, y es la de crear una cortina térmica. Se explicará este concepto más adelante.

El caso que nos ocupa es el de una vivienda unifamiliar remodelada por la empresa Quilding. Una vez proporcionados el modelo y la distribución de los muebles se procedió a situar los radiadores en las posiciones anteriormente indicadas, debajo de las ventanas.

Así, mediante técnicas de dinámica de fluidos por ordenador (CFD), se puede llegar a observar con detalle el fenómeno físico al que se ve sometido el aire al encender la calefacción.

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Como casi siempre en las simulaciones de fluidos, se debe simplificar el caso, lo cuál no indica una pérdida de precisión en los resultados, sino que ciertos objetos pueden ser insignificantes para el movimiento del aire y sin embargo pueden complicar muchísimo el mallado , esto es, la discretización del dominio en volúmenes finitos en los cuáles se resolverán las ecuaciones de Navier-Stokes (las cuáles a su vez deben ser discretizadas numéricamente).

El piso dispone de 3 habitaciones, un salón, un baño y una cocina. En todos los habitáculos excepto el baño hay ventanas, por lo que se colocaron debajo de las mismas como se mencionó anteriormente como se observa en la siguiente imagen de la planta del piso.

Los fenómenos mas importantes que ocurre en la calefacción es la convección natural y la radiación:

  • La convección necesita de un medio material para que ocurra, ya que se trata del movimiento de moléculas de un fluido guidas por procesos de advección (transporte de las párticulas) y/o difusión. El aire caliente flota respecto al frío debido a la diferencia de densidad y por gravedad se crea un flujo por el cuál el aire caliente sube al techo, se enfría y baja creando una circulación constante.

  • La radiación (en este caso la térmica) no necesita de un medio material. Ondas electromagnéticas y partículas subatómicas transportan la energía de un cuerpo a otro. La ecuación que define la potencia irradiada por un cuerpo es la siguiente:

Donde ε es la emisividad del cuerpo que irradia (1 en un cuerpo negro ideal) y σ es la constante de Stefan-Blotzmann, σ = 5,6703 e-8 W/m2K4.

Se simularon unas condiciones de frío severo en las cuales, la temperatura exterior está alrededor de 0 grados y con unas ventanas estándar de un solo cristal (típicas en una casa promedio asturiana) la temperatura la superficie interna se consideró 5 grados superior a la exterior. Este valor tan cercano es debido al poco aislamiento de una ventana típica y la conducción de calor desde dentro hacia afuera. Partimos de esta suposición, aunque en esta simulación no se tendrán efectos conductivos, que aunque podrían ser calculados (mediante el llamado “conjugated heat transfer”) este no es el objetivo.