PROYECTO PVTBUILDING

Desarrollo y caracterización de tejados y fachadas fotovoltaicas ventiladas integradas en edificios

Expediente núm. CIT-120000-2007-89

E.2.4 y E.5.1.: PROTOTIPOS Y GUÍA PARA LA EVALUACIÓN Y MONITOREO DE LA

PRODUCCIÓN ENERGÉTICA DE LAS FDVFV

AÑO 2007

Centre

Internacional de Mètodes

Numèrics en Enginyeria

ISOFOTON SA

PICH-AGUILERA ARQUITECTOS

UNIVERSITAT DE LLEIDA CCT

Julio 2008

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ÍNDICE ÍNDICE ..........................................................................................................................................2 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................................................3

1.1 EXPERIENCIAS PREVIAS DE SISTEMAS CON FACHADAS FOTOVOLTAICAS VENTILADAS...............................................................................................................3 1.2 PROCESOS TERMO-DINÁMICOS EN LAS FACHADAS DOBLES VENTILADAS FOTOVOLTAICAS (FDVFV)........................................................................................4

2. ANÁLISIS DE LOS EQUIPOS DE MEDIDA EN LAS FACHADAS DOBLES VENTILADAS...............................................................................................................................4

2.1 VARIABLES A MEDIR EN UNA FACHADA FV VENTILADA ................................4 2.2 DESCRIPTIÓN DE LOS EQUIPÒS DE MEDIDA PARA LAS FACHADAS VENTILADAS...............................................................................................................5 2.2.4 MEDIDA DE LA TEMPERATURA INTERIOR EN LAS SALAS QUE ESTÁN EN CONTACTO CON LA FACHADA ..............................................................................23 2.2.5. MEDIDA DE LAS CONDICIONES CLIMÁTICAS EXTERIORES.....................23

3. PROTOTIPOS DE ENSAYO DE FACHADAS VENTILADAS PRESENTES EN LA LITERATURA ............................................................................................................................24

3.1 DESCRIPCIÓN DE LOS PROTOTIPOS DE ENSAYO........................................24 3.2 SISTEMA DE MONITORIZACIÓN EN LOS PROTOTÍPOS DE ENSAYO...........28

4. ACTIVIDAD EXPERIMENTAL A REALIZAR EN LLEIDA .........................................35 4.1 PLAN DE TRABAJO DE LA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL ................................35 4.2 PRIMERA ETAPA: EFICIENCIA ELÉCTRICA Y TÉRMICA DE LOS DIFERENTES MÓDULOS FV....................................................................................36 4.3 SEGUNDA ETAPA DE LA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL: EFICIENCIA ENERGETICA DEL COMPONENTE FACHADA FOTOVOLTAICA VENTILADA......43

5. REFERENCIAS ......................................................................................................................49

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1. INTRODUCCIÓN

1.1 EXPERIENCIAS PREVIAS DE SISTEMAS CON FACHADAS FOTOVOLTAICAS VENTILADAS El interés en la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios ha aumentado en los últimos años debido a que estos sistemas constituyen una vía prometedora para proveer beneficios adicionales a la producción eléctrica de las células fotovoltaicas. Las experiencias actuales sobre el desarrollo y el monitoreo de estas fachadas es limitado y existe actualmente una falta de herramientas de diseño que asistan arquitectos y ingenieros en la integración de estos sistemas en el sector de la edificación. Varios proyectos han investigado el efecto del impacto de los sistemas fotovoltaicos integrados sobre el comportamiento energético de los edificios. El proyecto europeo “PV-Hybrid-Pas” se ha ocupado del desarrollo de un procedimiento estandardizado para evaluar térmicamente y eléctricamente los componentes híbridos fotovoltaicos utilizando las celdas de ensayo PASLINK. Uno de los objetivos fundamentales de la red de celdas de ensayo PASLINK es la determinación de las propiedades térmicas y eléctricas de diferentes componentes de la envolvente de los edificios en condiciones atmosféricas reales y en un ambiente altamente estandardizado. Las metodologías desarrolladas en este proyecto están basadas en un proyecto europeo anterior, llamado “PASSYS Project”, que empezó en el año 1985. El proyecto PASSYS se focalizó en la construcción de celdas de instrumentación para determinar el comportamiento de componentes solares pasivos en los edificios. En los últimos años, el proyecto europeo IMPACT se ha focalizado en el análisis de los intercambios de calor de un módulo FV con su entorno. Ha investigado también las posibles mejoras para componentes y sistemas. Además de los proyectos de investigación nombrados, en Europa existen varios edificios que han implementado las FDVFV en alguna de sus fachadas: la biblioteca de Mataró (España), el edificio MANCAT en Manchester (UK) y la Yellow House en Aalborg (Dinamarca) son relevantes ejemplos (ver Figura 1).

Library of Mataro (Spain) Fuente: Zondag [16]

MANCAT building of Manchester (UK)

Fuente: Zondag [16]

Yellow House in Aalborg (Denmark)

Fuente: Zondag [16]

Figura 1. Ejemplos de fachadas FV ventiladas en edificios reales. Fuente: Zondag

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1.2 PROCESOS TERMO-DINÁMICOS EN LAS FACHADAS DOBLES VENTILADAS FOTOVOLTAICAS (FDVFV) Una FDVFV es un sistema o componente de edificio que está normalmente compuesto por un laminado FV, semitransparente u opaco, un canal de aire ventilado y un cerramiento interior que puede ser transparente, opaco o un mezcla de los dos. El canal de aire presenta una ventilación natural (convección libre) o una ventilación forzada. La mayor parte de la radiación solar incidente sobre un modulo FV se convierte en calor sensible, y eso comporta un calentamiento de los elementos FV; por tanto, ventilando la cavidad posterior de estos elementos, se puede generar energía térmica a parte de la energía eléctrica propia del efecto fotovoltaico. El aire caliente que se genera en el canal de aire puede ser utilizado para pre-calentar el aire que de ventilación en del edificio en invierno o bien se puede favorecer la ventilación natural en verano; la ventilación de la cavidad limita también el aumento de la temperatura de los módulos FV, mejorando su eficiencia eléctrica. Una FDVFV está sujeta a procesos termo-dinámicos complejos (ver Figura 2) y una correcta evaluación del comportamiento energético de la misma no es una tarea sencilla. Los procesos involucrados incluyen el tratamiento de la conducción, convección, radiación y acumulación de calor en la masa térmica de los componentes.

Solar radiation

Convection and radiationto surroundings

Incoming'cold' air

Outgoing'hot' air

Conductionthrough wall

Convection fromPV and wall to

air in gap

Radiation fromPV to wall

Accumu-lation in

PV

Accumu-lation in

wall

Figura 2. Procesos termo-dinámicos. Fuente: Bloem [5]

2. ANÁLISIS DE LOS EQUIPOS DE MEDIDA EN LAS FACHADAS DOBLES VENTILADAS

2.1 VARIABLES A MEDIR EN UNA FACHADA FV VENTILADA Para definir el comportamiento termodinámico de una fachada FV ventilada, las principales variables físicas que deben medirse son: - Temperaturas de las superficies sólidas de la fachada; - Temperatura en la entrada, en la salida y en el medio del canal de aire; - Perfil de velocidades en diferentes secciones y/o caudal volumétrico de aire; - Condiciones exteriores (radiación, temperatura, humedad y velocidad del viento); - Condiciones interiores de la habitación contigua a la fachada (temperatura, humedad relativa).

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2.2 DESCRIPTIÓN DE LOS EQUIPÒS DE MEDIDA PARA LAS FACHADAS VENTILADAS

2.2.1 Equipos de medida de las temperaturas en las superficies Para medir las temperaturas de las superficies que componen las fachadas se pueden utilizar un tipo de sensores de temperatura por contacto llamados transductores. Existen tres tipos de transductores: - termopares de baja inercia térmica; - termómetros de resistencia; - termistores. Termopares de baja inercia térmica Los termopares son los trasductores más utilizados porque pueden medir una gama de temperaturas muy amplia y tienen una construcción más robusta que otros tipos de transductores. Además, no precisan alimentación de ningún tipo y su reducido precio los convierte en una opción muy atractiva. Un termopar es un sensor que convierte energía térmica en energía eléctrica: se compone de dos hilos de diferentes materiales unidos en un extremo y abiertos en el otro (ver Figura 3); cuando uno de los extremos de un hilo se calienta, se produce una tensión que es función del gradiente de temperatura desde uno de los extremos del hilo al otro y del coeficiente de Seebeck, una constante de proporcionalidad que varía de un metal a otro.

Figura 3. Esquema de un termopar

Para poder medir la tensión que pasa por el extremo abierto, se necesitan dos hilos de otro material (cobre) que se conectan a un milivoltímetro. La conexión con cobre genera en este caso un nuevo termopar, diferente del precedente, que puede afectar la precisión de la medida; para evitar este problema, los hilos de cobre tienen que mantener una temperatura constante, llamada temperatura de referencia, que normalmente es el triple punto de equilibrio de el agua (0.01 ºC). La temperatura del cobre puede ser mantenida constante utilizando una mezcla de agua y hielo o haciendo una compensación con un termistor, un tipo de resistor utilizado para medir los cambios de temperatura.

Figura 4. Esquema de un termopar conectado a un data logger

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Si conocemos la temperatura de referencia, la temperatura incógnita Tx puede ser calculada a partir del valor del voltaje. Antes de empezar a realizar las mediciones, se necesita realizar una calibración de la temperatura de referencia. En el mercado esta disponible una gran variedad de termopares, que se distinguen por rango de temperatura y precisión. En la Tabla 1 se muestran algunas características técnicas de los termopares más utilizados.

Rango de funcionamiento aproximado de temperatura*

[°C]

Tipo

Material conductor

Continuo Puntual

Precisión

K Ni-Cr (+)

Ni-Al (-)

0 a +1200 -180 a +1300 0.75 %

E Ni-Cr (+)

Cu-Ni (-)

0 a +800 -40 a +900 0.5 %

R Pt-13% Rh (+)

Pt (-)

0 a +1600 0 a +1700 0.25 %

T Cu (+)

Constantan (-)

-185 a +300 -250 a +400 0.75 %

J Fe (+)

Constantan (-)

+20 a +700 -180 a +750 0.75 %

* Sin tener en cuenta el diámetro del hilo ni el material del aislamiento del conductor Tabla 1. Características técnicas de los termopares más utilizados

El termopar tipo K es el más utilizado, debido bien a su rango y a su bajo coste. Está concebido para ambientes oxidantes, donde puede llegar a alcanzar los 1200 °C,. Por el contrario el termopar tipo J, ampliamente utilizado también, se degrada por encima de los 550 °C. Por otra parte el tipo J es uno de los pocos termopares que se pueden utilizar de forma segura en atmósferas reductoras. Termómetros de resistencia

Figura 5. Ilustración de un termómetro de resistencia

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Los termómetros de resistencia se basan en el hecho de que la resistencia eléctrica de algunos materiales metálicos varía en función de la temperatura. En la fabricación de los termómetros de resistencia se han usado metales como el Platino, el Níquel, el Cobre, el Tungsteno o algunas aleaciones, pero, debido a que el Platino es un material inerte, estable y su resistencia eléctrica tiene una dependencia cuadrática con la temperatura es, actualmente, el metal usado en los termómetros comerciales. La variación de la resistencia del platino en función de la temperatura sigue la ecuación siguiente:

2T BTAT1RR

o

++= (1)

Donde:

TR = Resistencia del termómetro a temperatura T (Ω)

oR = Resistencia del termómetro a temperatura 0ºC (Ω)

T = Temperatura (ºC) B,A = Coeficientes de temperatura

Los termómetros de resistencia más utilizados en climatización están formados por una espiral de platino encapsulada en cristal o cerámica y libre de tensiones (ver Figura 6). Su resistencia a temperatura de 0 ºC varía entre 100 Ω y 500 Ω, siendo el de 100 Ω el más usual. Su nombre es RTD Pt100 y se caracteriza por tener altos niveles de precisión (± 0.2 %). Para medir la resistencia del termómetro se acostumbra a utilizar un puente de Wheatstone, donde la resistencia desconocida del termómetro forma un brazo del puente y las otras tres resistencias o se conocen o se pueden determinar. El valor de la resistencia desconocida se determina con una fuente de alimentación, en a.c o en d.c, que proporciona el voltaje necesario. En la Figura 6 b) se muestra un esquema de puente de Wheatstone de 4 hilos, que es el sistema de medición más preciso. En los modelos comerciales se utiliza un sistema de 3 hilos, que no es tan preciso, pero evita la utilización de tantos hilos conductores.

Figura 6. a) Ilustración de un termómetro de resistencia Pt100. b) Esquema de un Pt100 conectado a un

puente de Wheatstone de 4 hilos

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Termistores Los termistores son detectores resistivos que funcionan igual que los termómetros resistivos con la única diferencia que el material del sensor es un semiconductor. A diferencia de los termómetros de resistencia, los termistores presentan una dependencia muy no-lineal de la resistencia con la temperatura. La relación entre la resistencia y la temperatura viene dada por la expresión siguiente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅

⋅= 0T1

T1B

ot eRR (2)

Donde:

TR = Resistencia del termómetro a temperatura T (Ω)

oR = Resistencia del termómetro a temperatura 0ºC (Ω)

T = Temperatura (ºC)

0T = Temperatura de referencia (ºC)

B = Coeficiente de temperatura (3000-4000) Al tener un alto coeficiente de temperatura poseen una mayor sensibilidad que las sondas de resistencia estudiadas y permiten medida de intervalos de temperatura muy pequeños. Son de pequeño tamaño y su tiempo de respuesta depende de la capacidad térmica y de la masa del termistor, variando de fracciones de segundo a minutos. Los termistores se conectan a puentes de Wheatstone convencionales, igual que los termómetros de resistencia. El problema que presentan, no obstante, es el del autocalentamiento debido a la fuente de alimentación, ya que su pequeño tamaño hace que tengan poca superficie de intercambio, y, por lo tanto, poca capacidad de disipación del calor. Otro inconveniente del termistor es su falta de linealidad en rangos de temperatura elevados, lo que exige un algoritmo de linealización para obtener unos resultados aprovechables. Hay que señalar, también, que para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente.

Resumen de tipos de transductores para medir temperatura superficial En la tabla 2 se resumen las ventajas y desventajas de cada uno de los transductores que se han presentado en el apartado anterior.

Termopar Termómetro de resistencia

Termistor

Ventajas Autoalimentado

Robusto

Económico

Amplia variedad

de formas físicas

Amplia gama de T

Más estable

Más preciso

Más lineal

Alto rendimiento

Rápido

Medida de dos hilos

Desventajas No lineal

Baja tensión

Precisa referencia

Caro

Lento

Precisa fuente de

No lineal

Rango T limitado

Frágil

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El menos estable

El menos sensible

alimentación

Cambio de resistencia

Medida de 3 hilos

Problemas de calentamiento

Precisa fuente de

alimentación

Problemas de calentamiento

Tabla 2. Ventajas y desventajas de los transductores

Precauciones en las medidas de temperatura superficiales Cuando se realizan medidas de temperatura en superficies transparentes hay que tener en cuenta una serie de efectos que pueden influir en los valores indicados por los sensores:

- Efecto de la masa térmica y del tamaño de los sensores. - Calentamiento del sensor debido a la radiación solar incidente. - Instalación del sensor y contacto con la superficie.

A continuación se describen métodos para reducir la incidencia de estos errores. Efecto de la masa térmica de los sensores Un sensor de temperatura es un dispositivo que convierte energía térmica en otra forma de energía, mecánica o eléctrica. Esta conversión es, teóricamente, instantánea. Sin embargo, la respuesta real del sensor depende de su transferencia de calor con el medio exterior y de la capacidad de almacenamiento térmico que ocurra dentro del sensor. Estos dos fenómenos provocan un desfase entre la temperatura medida y la temperatura de la superficie. La ecuación (3) muestra la expresión de la constante temporal para los transductores descritos en los apartados anteriores:

pp

p

AUCm⋅

⋅=τ (3)

Donde: τ = Constante de tiempo

m = Masa del sensor

pC = Capacidad térmica

pU = Coeficiente de transferencia de calor

pA = Superficie de transferencia del sensor

Tal y como se puede observar de (3), la constante de tiempo se puede reducir, o bien disminuyendo la masa y la capacidad térmica del sensor, o bien aumentando la superficie de transferencia y el coeficiente de transferencia de calor. Los parámetros m, Cp y Ap dependen del tipo de sensor, por lo que se recomienda la utilización de sensores ligeros, con gran superficie de intercambio y con baja capacidad térmica. El parámetro Up, en cambio depende de la velocidad del fluido alrededor del sensor, por lo que se recomienda permitir la máxima ventilación posible alrededor del sensor. Calentamiento del sensor causado por la radiación solar incidente Las sondas de temperatura pueden calentarse debido a la radiación solar incidente o bien a la radiación proveniente de las otras superficies de la cavidad. Este

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calentamiento provoca distorsiones en la medida de la temperatura. En la ecuación (4) se muestra la expresión del error debido a la radiación:

Error = )TT(h

TT 4p

4w

c

psp −

⋅=−

σε (4)

Donde: Tp = Temperatura del sensor Ts = Temperatura de la superficie Tw = Temperatura media de las paredes

εp = Emisividad del sensor

σ = Constante de Stefan Boltzmann hc = Coeficiente de transferencia de calor Tal y como se puede apreciar de (4), el error en la medida se puede reducir:

- Disminuyendo la emisividad del sensor, recubriéndolo con superficies pulidas metálicas;

- Aumentando el coeficiente de transferencia de calor mediante aspiración de aire alrededor del sensor.

El método más recomendado consiste en rodear el transductor con alguna superficie cilíndrica de metal pulido. Se debe dejar un espacio entre esta cubierta metálica y el sensor para permitir la ventilación correcta de la sonda de temperatura. Instalación del sensor y contacto con la superficie En la instalación de transductores en contacto con superficies pulidas, se pueden producir una serie de errores que podrían afectar el valor de la temperatura medida. Estos errores son, básicamente: la resistencia térmica del material adhesivo que se utilice (silicona), la posición relativa del termopar respecto del gradiente de temperaturas y el efecto aleta causado por los cables de conexión del transductor. Para minimizar estos errores se sugiere utilizar instalaciones de sujeción lo más pequeñas posible, instalar los cables de los transductores paralelos a las isotermas de superficie (horizontales en nuestro caso) y colocar el transductor lo más cerca posible de la superficie.

2.2.2 Medida de la temperatura en el interior de la cavidad de aire En el interior de la cavidad, el aire está en movimiento y presenta, además unos cambios de temperatura muy rápidos. Estas condiciones hacen que, para medir la temperatura, se requiera un tipo de sensor con baja masa térmica, tal y como se aprecia en la ecuación (3). Los termopares pueden calentarse debido a la radiación solar incidente. Este efecto es aún más importante en termopares que se usen para medir el aire en el interior del canal. Debido a este fenómeno, se recomienda adquirir termopares con funda de aluminio para realizar las medidas en el interior del canal de aire.

2.2.3 Medida de la velocidad puntual de aire El objetivo de medir las velocidades en diferentes puntos del canal es doble: determinar el perfil de velocidades y el caudal volumétrico. En la literatura se describen diferentes métodos para medir las velocidades en diferentes puntos de canales de aire, y todos

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ellos tienen graves problemas de precisión cuando el flujo que se está midiendo es turbulento y producido por ventilación natural. Existen tres técnicas predominantes:

- Mediante tubos pitot estáticos. - Mediante la colocación de una red de anemómetros. - Mediante técnicas de visualización de partículas.

A continuación se realiza una descripción detallada de cada una de estas técnicas. En la tabla 3, se presenta una tabla resumen con las ventajas y desventajas de cada uno de estos métodos. Medida con tubos de Pitot estáticos Los tubos de Pitot se utilizan para medir la velocidad en un punto cuando la dirección del flujo es conocida. Sólo miden velocidades principales, de manera que no pueden captar las componentes turbulentas de la velocidad. El tubo mide la diferencia de presión entre la presión de estancamiento, que se produce en el agujero de entrada (ver Figura 7), y la presión estática que se mide mediante unos tapones colocados alrededor del agujero de entrada. La presión de estancamiento es la presión estática mas la presión dinámica, como el tubo de Pitot mide la diferencia entre la presión de estancamiento y la estática, en realidad está midiendo la presión dinámica.

Figura 7. Esquema de tubo Pitot y modelo comercial. Fuente: Dantec system A/C

Para calcular la velocidad, se utiliza la ecuación (5):

2v21KP ρ∆ ⋅= (5)

Donde: P∆ = Diferencia de presión medida por el tubo de Pitot (Pa) K = Factor de corrección determinado en la calibración ρ = Densidad del aire

v = velocidad del aire (m/s)

Precauciones en las medidas de velocidad con tubos de Pitot Los tubos de Pitot tienen una buena precisión para velocidades en el entorno de 1 m/s (1-5 %), para velocidades menores pierden precisión. Los tubos de Pitot son muy sensibles a una desviación respecto a la dirección del fluido, de manera que si el aire entra en el orificio con un ángulo de ataque, la medida de la presión puede no ser correcta. Para intentar disminuir este efecto, se deben instalar tubos de pitot con paredes delgadas. Medida con una red de anemómetros

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Un anemómetro es un instrumento capaz de medir la velocidad y la dirección instantáneas del aire. Es necesario instalar anemómetros que no influyan en la trayectoria del aire, es decir que tengan un tamaño suficientemente pequeño como para que no generen distorsiones en la circulación del aire. Al mismo tiempo, si el flujo que circula por las fachadas es turbulento, es conveniente instalar anemómetros capaces de medir la componente turbulenta de la velocidad. Esta componente se mide mediante un parámetro turbulento llamado intensidad turbulenta, que se define como el ratio entre la media de velocidad turbulenta respecto a la velocidad principal. Existen diferentes tipos de anemómetros que cumplen estas restricciones: anemómetros de hilo caliente, anemómetros de lámina caliente omidireccionales, anemómetros de láser Doppler y anemómetros ultrasónicos. A continuación se describen las principales características de los dos primeros, ya que los dos últimos tienen un coste muy elevado. Anemómetros de hilo caliente Estos anemómetros consisten en hilos muy delgados de tungsteno o platino que son calentados eléctricamente, y, cuando se exponen a un flujo de aire se van enfriando. El rango de enfriamiento es proporcional a la velocidad del aire y sigue la relación que se define en la siguiente ecuación:

BvAq += (6)

Donde: q = Pérdida de calor por unidad de longitud del hilo caliente (W/m2)

BA, = Constantes que dependen de las condiciones del hilo

La ecuación (6) es válida para fluidos con ventilación forzada. En los casos de fluidos con ventilación natural a velocidades muy bajas existen problemas de calentamiento por convección que pueden afectar las medidas. Experimentalmente, en [3] se ha determinado la expresión de la velocidad mínima que pueden medir los anemómetros comerciales (hilo de 5µm de diámetro) en función de la diferencia de temperatura entre el hilo y el aire:

3/13min )(1093.7 Tv ∆−⋅> (7)

Donde:

minv = velocidad mínima que pueden medir

T∆ = Variación de temperatura entre el hilo caliente y el aire Existen dos tipos de anemómetros de hilo caliente: anemómetros de corriente constante y anemómetros de temperatura constante. La diferencia entre ellos está en el hecho que los de corriente constante mantienen la I constante y miden la variación en la resistencia, en cambio los de temperatura constante mantienen una temperatura constante y miden la variación en la intensidad de corriente. Los más utilizados son los de temperatura constante. La mayor ventaja de este tipo de anemómetros está en su velocidad de respuesta a las excitaciones, lo que permite medir variaciones de velocidad con frecuencias de hasta 5 kHz. Esta característica hace que sean anemómetros capaces de medir componentes medias y turbulentas de las velocidades del aire. Esta alta sensibilidad hace que para el caso de flujos en los que no se conoce exactamente la dirección del flujo, no es recomendable su utilización.

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Las medidas tomadas con anemómetros de hilo caliente están influenciadas por un gran número de efectos de distorsión. El más importante de estos efectos tiene que ver con las variaciones de temperatura entre el hilo caliente y el aire. Para un anemómetro operando en condiciones normales, el error en la medida de la velocidad es aproximadamente de un 2 % por 1 ºC de cambio en la temperatura. Para evitar esta distorsión se pueden adoptar diferentes soluciones:

- Reajustar el resistor de sobrecalentamiento a la temperatura cambiada; - Mantener el resistor constante, medir la temperatura y corregir el voltaje

del anemómetro; - Utilizar un anemómetro con compensación de temperatura que tiene un

resistor termo-sensible, lo que permite medir velocidades independientemente del efecto de la temperatura.

Anemómetros de lámina caliente omnidireccionales Estos anemómetros son muy parecidos a los de hilo caliente, pero en vez de tener un hilo caliente tienen una lámina delgada de níquel depositada sobre un substrato de cuarzo. Dentro de este tipo de anemómetros se pueden encontrar los “omnidireccionales”, que consisten en una esfera de cristal de cuarzo con un diámetro muy pequeño rodeada por una deposición de níquel en forma de espiral y recubierta por una capa muy delgada de cuarzo. Los sensores omnidireccionales son más robustos y tienen una resistencia térmica mayor que los de hilo caliente, lo que les confiere mayor estabilidad mecánica y eléctrica. Al mismo tiempo la variación de la temperatura tiene menor incidencia en la medida de la velocidad. La desventaja que presentan este tipo de anemómetros está en el hecho de que tienen menor velocidad de respuesta respecto a los de hilo caliente. Sin embargo, la influencia de la dirección del viento es prácticamente despreciable, por lo que en el caso de que la dirección del flujo no sea conocida exactamente, son los anemómetros más recomendados. Medida con técnicas de visualización de partículas Los métodos de visualización de flujos de aire mediante la observación de la trayectoria de partículas son métodos de medida cuantitativa y cualitativa de los perfiles de velocidades y permiten tener una visión global del flujo de aire, no únicamente en un punto como es el caso de los anemómetros. Son métodos ampliamente utilizados en medidas experimentales bajo condiciones de laboratorio, pero son mucho menos utilizados en medidas en instalaciones reales, ya que los equipos que se usan requieren unas condiciones bastante estables. Existen dos técnicas principales:

- Métodos de dispersión; - métodos de refracción.

Dentro de los primeros están la técnica de partículas de humo y la de imágenes de la velocimetría de las partículas (PIV). A continuación se describen con mayor detalle estas técnicas de medida. Método de partículas de humo La inyección de humo en el aire es, probablemente, el método más económico de visualización del movimiento en una cavidad o canal. Las partículas de humo, cuando

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son iluminadas, causan una dispersión de la luz, de manera que su movimiento puede ser trazado o fotografiado. El humo producido debe tener una densidad muy parecida a la del aire, de manera que no se produzca un efecto de ascensión debida al cambio de densidad. Al mismo tiempo, debe ser no-tóxico, no irritante, ignífugo y no contaminante. Estos generadores deben llevar lanzas como difusores que permitan un enfriamiento del humo antes de ser dispersado por el interior de la fachada. Una de las desventajas de este método está en el hecho de que el humo llena rápidamente el espacio, de manera que se tienen que hacer visualizaciones con cortos intervalos de tiempo, además requiere largos periodos de tiempo para dispersarse. Para mejorar la visualización de las técnicas de partículas de humo, se suelen utilizar filamentos mezclados con el humo y un sistema de luces intermitentes controladas por ordenador. Si se realizan fotografías simultáneamente con los disparos de las luces, se puede ver la trayectoria de los filamentos y, por la tanto deducir la velocidad de ellos como la distancia recorrida divida por el intervalo de tiempo entre disparos. Esta mejora permite mayor detalle en el análisis del flujo y análisis con intervalos de tiempo más largos, ya que no se necesita tanto humo para realizar la visualización. La desventaja de este método está en que se debe realizar una corrección en la velocidad debido al efecto de la ascensión producido por la alta temperatura a la que se encuentran los filamentos. Método de velocimetría de las partículas (PIV) Este tipo de metodologías de visualización se utilizan para medir la velocidad de partículas que siguen la trayectoria de un fluido. Debido a los avances en los sistemas de tratamiento digital de imágenes su utilización ha aumentado considerablemente durante los últimos años. Un sistema de PIV está compuesto por los siguientes elementos: un sistema de dispersión de partículas (humo, micro partículas de aceite...), una fuente de iluminación (láser con una lente amplificadora) y una o varias cámaras que registran imágenes del movimiento de las partículas. La fuente de iluminación es intermitente y controlada por ordenador, de manera que el tiempo entre cada disparo depende de la magnitud de la velocidad a medir. Las imágenes captadas por la cámara en cada disparo son enviadas a un software de tratamiento de imágenes, que las digitalizan y obtienen los mapas de velocidades de cada partícula en el dominio del fluido. Evaluación de los sistemas de medida de velocidades puntuales A continuación se muestra una tabla de comparación entre cada uno de los sistemas descritos en los apartados anteriores. En esta tabla se enumeran las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas. Advantages Disadvantages Tubos de pitot Robusto

Preciso a velocidades bajas Manejo sencillo Permite largos periodos de monitorización

Sólo mide velocidades principales en puntos La dirección de la v debe ser conocida Coste medio/elevado

Anemómetros de hilo caliente

Instalación sencilla Rápida respuesta Mide turbulencia Alta precisión Permite largos periodos de monitorización

Necesita compensador de la temperatura La dirección debe ser conocida Coste alto

Anemómetros Robusto Coste alto

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omnidireccionales Rápida respuesta Mide turbulencia No depende de la dirección del aire Permite largos periodos de monitorización

Necesita compensador de temperatura

Partículas de humo

Sencillo Bajo coste Permite visualizar velocidades en todo el fluido

Baja precisión Cámaras y lámparas de precisión Cortos intervalos de medición

PIV Visualización cualitativa y cuantitativa del flujo Alta precisión y resolución de imágenes

Coste elevado Instalación compleja Cortos periodos de tiempo de medición

Tabla 3. Comparación de los sistemas de medición de velocidades puntuales

2.2.4 Medida del caudal volumétrico en las fachadas La monitorización del caudal de aire que circula por el canal es uno de los parámetros más importantes para determinar la eficiencia de ventilación de las fachadas ventiladas. Para medir el caudal volumétrico, se pueden utilizar los métodos descritos en el apartado anterior, siempre y cuando se midan un número suficiente de puntos que permitan determinar el perfil de velocidades y la sección hidráulica de aire. En el caso de los anemómetros y tubos de Pitot, se debe instalar una red de sensores que cubra la sección del canal y permita calcular el caudal equivalente. En el caso de los métodos de dispersión de partículas de humo o de PIV, el caudal se determina de una forma más precisa, ya que se tiene una información más detallada del perfil de velocidades en el canal. A parte de estos métodos que determinan el caudal de una forma indirecta, a través de la medida de las velocidades, existen métodos más directos de medida del caudal. Estos métodos se pueden utilizar solos o combinados con los del apartado anterior para, así, tener mayor información del flujo de aire en circulación. En la literatura se describen diferentes métodos directos para medir los caudales volumétricos de aire que se producen por el efecto de la variación de la densidad. Se puede afirmar que existen dos técnicas predominantes:

- Mediante el uso de técnicas de inyección de gas; - Mediante el uso de manómetros para medir la variación de la presión en

la entrada y salida de la cavidad, - Mediante la medida de velocidad y sección a la salida de difusores.

A continuación se realiza una descripción detallada de cada una de estas técnicas. En la tabla 4, se presenta un resumen con las ventajas y desventajas de cada uno de estos métodos. Técnicas de inyección de gas Las técnicas de inyección de gas consisten en insuflar una concentración de gas conocida en una cavidad o habitación para que se mezcle de forma uniforme con el aire. Una vez se ha mezclado el gas, se mide su concentración en diferentes puntos del dominio, para un intervalo de tiempo determinado y se obtiene una media de la concentración de gas en la cavidad. El gas que se utilice en este tipo de medidas debe ser inocuo, no-tóxico, inerte, estable, ignífugo y su densidad debe estar muy próxima a la del aire. Los gases más utilizados

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son: N20, SF6, CO2, CH4, C2H6 y He. En el caso del Metano y el Etano, al ser combustibles, se deben utilizar en concentraciones menores de 1500 p.p.m. El ratio de cambio en la concentración del gas viene dado por la cantidad de gas que sale menos la cantidad que entra más la que se genera en el interior de la cavidad. La ecuación de balance másico para las técnicas de inyección de gas es la siguiente:

)cc(QGdtdcV e −⋅+= (8)

Donde: V = Volumen de la cavidad (m3) G = Ratio de generación de gas en la cavidad (m3/s) Q = Caudal volumétrico (m3/s)

c = Concentración de gas en el interior en el instante t

ec = Concentración exterior de gas

Existen tres métodos de técnicas de inyección de gas: método de caída de concentración, método de inyección constante y método de concentración constante. A continuación se explican las características de los dos primeros, ya que el tercero requiere unos equipos de adquisición de datos demasiado sofisticados. Método de caída de concentración Este método es el más común de todos y requiere el equipo menos sofisticado para realizar las medidas. El gas es inicialmente inyectado dentro de la cavidad de la fachada (p.e. desde un cilindro de gas) y se permite que se distribuya uniformemente por el espacio, tal vez con la ayuda de un ventilador. Una vez se obtiene una mezcla homogénea, se monitoriza la concentración del gas con un equipo de análisis de gases durante un periodo de tiempo y bajo las condiciones de ventilación natural. Para monitorizar la concentración de gas, se pueden utilizar dos técnicas:

- Análisis in-situ: se realizan los análisis en el edificio donde se toman las medidas. Esta técnica necesita un equipo formado por: tubos de muestreo que se colocan a diferentes alturas de la fachada, módulo de conexión y equipo de análisis de gas.

- Análisis en laboratorio: se utilizan sacos y/o botellas para tomar muestras que, posteriormente, se pueden analizar en laboratorio. Las muestras se deben tomar a intervalos regulares (un mínimo de dos). La ventaja de esta técnica está en el hecho de que no se requiere personal especializado para obtener las muestras del gas.

Existen dos tipos de equipos de análisis de concentración de gases: espectrómetros de absorción infrarroja y cromatógrafos. Las salidas de estos dos equipos se pueden conectar a un sistema de adquisición de datos y, posteriormente, pueden ser visualizadas en un PC (ver Figura 8).

17

Figura 8. Esquema de inyección de gas con método de caída de concentración in-situ.

La salida de los equipos de análisis de gases acostumbra a representarse como la variación de la concentración respecto del tiempo, tal y como se muestra en

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (min)

Conce

ntr

ació

n (

p.p

.m.)

Figura 9. Típica curva de salida de medidas en un equipote análisis con el método de caída de

concentración

Asumiendo que no hay generación de gas en el interior de la cavidad y despreciando la concentración de gas en el exterior, la ecuación (8) llega a ser:

cQdtdcV ⋅−= (9)

Suponiendo un caudal constante e integrando la ecuación 9, tenemos:

tVQclncln 0 ⋅−=− (10)

Que se puede escribir como:

tVQ

o ecc⋅−

⋅= (11)

Donde:

oc = Concentración en el instante t=0

NQ = Renovaciones por hora

En la Figura 10 se ha representado la gráfica de la Figura 9 en escala logarítmica para mostrar un ejemplo de cómo determinar N gráficamente.

18

Pendiente=N

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 20 40 60 80 100 120Tiempo (min)

Conce

ntr

ació

n (

ln c

)

Figura 10. Representación logarítmica de la gráfica 16

Método de inyección constante de gas Este método de inyección se basa en cargar, inicialmente, la cavidad con gas y, una vez se haya conseguido una distribución homogénea, se mantiene la inyección de gas en un ratio constante. Una inyección constante de gas se puede obtener mediante el uso de un cilindro de gas (con una válvula de regulación fijada a un ratio de gas constante). En este método es necesario monitorear tanto la concentración de gas en la cavidad como el ratio de inyección del gas. Para monitorear las concentraciones de gas en la cavidad se emplean las mismas técnicas que en el método de caída de concentración: in-situ o en laboratorio. Asumiendo como despreciable la concentración exterior de gas, la ecuación (8) nos quedará de la forma:

cQGdtdcV ⋅−= (12)

Asumiendo que no existe concentración de gas en el instante t=0, que el caudal de aire es constante e integrando la ecuación (11), obtenemos la siguiente solución:

)e1(QGc tN ⋅−−⋅= (13)

Para un valor constante de N, el caudal volumétrico de aire vendrá determinado por la ecuación:

cGQ = (14)

Donde:

G = Ratio de inyección de gas constante (m3/s)

La ecuación (14) nos muestra que si se consigue una concentración de gas constante (c), se puede calcular el caudal volumétrico. Para que esto suceda, se deduce que el Q también debe ser constante, cosa que en las fachadas ventiladas no se puede garantizar. Por esta razón, normalmente se toman muestras de concentración durante un periodo de tiempo determinado (normalmente 15 min.) y se calcula la media para encontrar la concentración principal.

19

Métodos diferenciales de presión Existen unos métodos para determinar el caudal en un canal que se basan en la relación que existe entre el caudal y la diferencia de presión que se produce en una reducción de la sección de paso de un canal. Estos métodos se identifican por la característica de su elemento primario, que crea una diferencia o caída de presión que depende de la velocidad y densidad del fluido. Esta diferencia es medida por un segundo elemento, llamado secundario. Los elementos primarios más comunes son:

- La placa de orificio. - La boquilla o tobera. - Tubo Venturi. - Tubo Pitot.

A continuación sólo se explicará el primer método, ya que los otros se usan más bien en tuberías y canales y no en cavidades de aire. Método de la placa de orificio Este método consiste en situar una placa con un orificio afilado en la sección perpendicular de circulación del fluido. Cuando el fluido pasa entre el orificio del plato se contrae a una sección inferior al área del orificio, debido a los cantos afilados, tal y como se muestra en la Figura 11. Este efecto se llama ‘vena contracta’. Si se mide la presión aguas arriba antes del orificio y en un punto de la vena contracta, se producirá una caída de presión que nos permitirá calcular el caudal que circulará.

Figura 11. Ejemplo del efecto de vena contrata en una placa con orificio

Aplicando la ecuación de Bernoulli entre el punto situado en la vena contracta (x=0.5·Do) y el punto Pi, obtenemos la siguiente expresión:

0

iod

)pp(2ACQρ−⋅

⋅= (15)

Donde: Q = Caudal volumétrico (m3/s)

dC = Coeficiente de descarga del orificio, que incluye las pérdidas de carga y el efecto de la contracción del fluido

oA = Área del orificio (m2)

ipp − = Diferencia de presión entre la vena contracta y el punto i

0ρ = Densidad del aire a una temperatura de referencia (Kg/m3)

El coeficiente de descarga ( dC ) está tabulado para el caso de placas de orificio estándar y depende del ratio entre el diámetro del orificio y el diámetro del canal de

20

aire. Tal y como se puede apreciar de la ecuación (15), conociendo el dC y midiendo la diferencia de presión, automáticamente se determina el caudal. Utilización de las rejillas de entrada como orificios En el caso de las fachadas sería inviable la colocación de una placa con un orificio en el canal de aire. En vez de eso, se pueden utilizar las rejillas u oberturas inferiores de la fachada como orificios. Estas rejillas, tanto las superiores como las inferiores, son los elementos de la fachada que más pérdida de carga producen, de manera que si se utilizan como elemento primario de un método de medición de presión diferencial, se evita la colocación de otros elementos que provocarían mayores pérdidas de carga. Se puede medir la diferencia de presión producida en la entrada de las rejillas mediante la colocación de dos tubos conectados a un transductor de presión. Las oberturas se pueden clasificar en dos tipos: oberturas grandes y oberturas pequeñas. En las primeras, el flujo de entrada acostumbra a ser aproximadamente turbulento, de manera que la ecuación que relaciona la caída de presión con el caudal es la misma que en orificios. En las segundas, el flujo es, esencialmente laminar, de manera que se debe seguir la ecuación de Couette:

PL12

hbQ3

∆µ

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅⋅

= (16)

Donde: Q = Caudal volumétrico que pasa a través de la obertura (m3/s)

h = Altura de la obertura (m)

b = Longitud de la obertura (m)

L = Profundidad de la obertura en el sentido del flujo (m) P∆ = Variación de presión en la entrada y salida de la obertura (Pa) µ = Viscosidad del aire (Pa·s)

En el caso de las fachadas fotovoltaicas, como no se sabe si el flujo será laminar o turbulento, se recomienda utilizar la ley de potencia que relaciona la presión con el caudal a través de la expresión siguiente:

n)P(LKQ ∆⋅⋅= (17)

Donde: Q = Caudal volumétrico que pasa a través de la obertura (m3/s)

K = Coeficiente de descarga (m3/s·m·Pa) L = Longitud de la obertura P∆ = Variación de presión en la entrada y salida de la obertura n = Coeficiente de flujo

Se debe remarcar que la ecuación (17) no es dimensionalmente homogénea, ya que las unidades del caudal volumétrico dependen del valor de n, por lo que no es una ecuación que se pueda usar generalizadamente. Aún y así, para el caso que nos corresponde, se considera que la precisión de esta ecuación es adecuada. El valor del coeficiente de flujo (n) varía entre 0.5 para flujos turbulentos y 1 para flujos laminares. En la mayoría de los casos acostumbra a tener un valor entorno a 0.6. Calibración de las rejillas de entrada en las fachadas

21

Para determinar el valor de n y K exactos de cada fachada, se debe realizar una serie de medidas. Se recomienda utilizar un ventilador calibrado conectado a la obertura de entrada inferior. Con este ventilador se insuflará aire a diferentes valores de Q conocidos y se mide la ∆P para cada valor de Q. Estos pares de valores se representarán en una gráfica con escala logarítmica (de base 10) para Q y ∆P, ver Figura 12. La gráfica resultante será una recta con pendiente n y que cortará el eje de Q con el valor de log K.

Pendiente=n

Log10∆ P

Log

10Q

Figura 12. Representación gráfica de la calibración de una rejilla

Medida del caudal mediante la medida de velocidad y sección a la salida de difusores En el caso en que la fachada tenga unas rejillas de entrada o salida con sección conocida, se pueden utilizar unos métodos de medida de caudal basados en medir la velocidad a la salida de las rejillas y, conociendo la sección de las mismas, calcular el caudal de circulación. Existen diferentes métodos para realizar estas mediciones:

- Métodos directos de medida de la velocidad de salida. - Métodos de caudal confinado. - Métodos de bolsa hinchable.

A continuación se realiza una descripción detallada de cada uno de estos métodos. Métodos directos de medida de la velocidad de aire Este método consiste en medir la velocidad media a la salida de las rejillas o de las oberturas de las fachadas. Para medir esta velocidad, se puede utilizar un anemómetro rotativo de veleta, en el caso que las rejillas de salida tengan dimensiones suficientemente grandes. Para el caso de oberturas lineales de pequeñas dimensiones se puede utilizar, o bien anemómetros de veleta de menores dimensiones o sino alguno de los anemómetros descritos en el apartado 2.2.3. La relación recomendada sería: por cada obertura o cuadrado de rejilla de 150 mm de lado un anemómetro de diámetro máximo de 100 mm. La metodología consistiría en realizar una serie de medidas de velocidad y comprobar que los valores no varían mucho. En el caso de que esto no suceda, es recomendable utilizar alguno de los métodos que se describen a continuación. Métodos de caudal confinado

Log K

22

En el caso de rejillas o salidas de fachada que no presenten una distribución de velocidad homogénea en la sección de salida, o generen flujos rotativos, es recomendable utilizar algún dispositivo que conduzca el aire hacia una sección conocida. Existen múltiples mecanismos, a continuación se describen los dos más frecuentes:

- Canal simple: Consiste en un tubo de corta longitud y con un diámetro suficientemente grande como para cubrir la sección de salida. Este tubo conduce el aire y permite realizar diferentes medidas a lo largo de él. La relación que debe cumplirse es: L/d ≥2 y H/d ≥2. Donde d es el lado o diámetro de la abertura y L y D son la longitud y el lado o diámetro del canal.

- Canal Venturi: Consiste en un cono que converge en una ranura. Se instala el cono en la salida de la obertura y se mide la velocidad en la ranura. Presenta problemas de generación de pérdida de carga debidas al estrechamiento.

Métodos bolsa hinchable Este es un método sencillo que consiste en instalar una bolsa de material plástico de un mínimo de espesor (para evitar deformaciones), con un volumen conocido en las ranuras de salida de la fachada. El cálculo del caudal que circula será:

tVQ = (18)

Donde: Q = Caudal V = Volumen del saco t = Tiempo de llenado del saco. Para evitar una presurización del saco que comprima el aire y nos provoque un error en la medida del caudal, es necesario instalar un tubo que, por un extremo se inserte en la bolsa y por el otro extremo se conecte a un micro manómetro. Evaluación de los sistemas de medida de caudales A continuación se muestra una tabla de comparación entre cada uno de los sistemas descritos en los apartados anteriores.

Ventajas Desventajas Técnicas de inyección de gas

Alta precisión

Equipos de medida complejos Alta incertidumbre

Métodos diferenciales de presión

Instalación sencilla Rápida respuesta Precisión media

Necesita procedimiento de calibración

Métodos de medida a la salida de oberturas

Barato Instalación sencilla

Baja precisión Problemas de generación de pérdidas de carga excesivas

tabla 4. Tabla comparativa entre métodos de medición de caudal

23

2.2.4 Medida de la temperatura interior en las salas que están en contacto con la fachada La medida de la temperatura en una habitación o sala se realiza con termómetros. Existen diferentes tipos de termómetros, por lo que se recomienda dirigirse a un fabricante para conocer las características técnicas detalladas. Para realizar una medida de la evolución de la temperatura en el interior del edificio, el termómetro que se utilice, debe cumplir las siguientes características:

- Rango de medida de temperaturas: -70 ºC a 540 ºC;

- Precisión de medida: ± 0.5 % en el rango de 0-100 ºC; - Salida digital para conectar con un Datalogger.

2.2.5. Medida de las condiciones climáticas exteriores Para poder extraer conclusiones de las medidas que se efectúen en el interior de las fachadas ventiladas fotovoltaicas, es necesario instalar una pequeña estación meteorológica que sea capaz de medir:

- La radiación solar total (directa y difusa) en el plano de fachada. - La temperatura exterior ambiente. - La humedad relativa exterior. Se puede medir con un higrotermómetro de

temperatura de rocío. - La velocidad y dirección del viento. Este es un factor importante para

determinar si el caudal volumétrico de la fachada se debe al efecto del viento o al efecto del calentamiento de las paredes de la fachada. Por esto, se debe instalar un anemómetro que pueda registrar tanto velocidades instantáneas como sus respectivas direcciones.

Medida de la radiación solar incidente Normalmente la radiación solar es medida con piranómetros (ver Figura 13). Los piranómetros son radiómetros diseñados para medir la iradiancia incidente sobre una superficie plana (flujo radiante, W/m2) en la longitud de onda de 300-3000 nanometers. La iradiancia medida es el resultado de la soma de la radiación directa y de la difusa incidente sobra el hemisferio sobre el instrumento. Características comunes de los piranómetros son la robusteza y la capacidad de funcionar bajo cualquiera condición meteorológica. El instrumento es fácil da utilizar, no necesita electricidad y tiene un conector que es resistente al agua. Un piranometro puede ser orientado perfectamente paralelo a la superficie a monitorizar y esto representa una ventaja con respecto a las estaciones meteorológicas completas.

Figura 13. Piranometro CM11 of Kipp & Zonen. Fuente: Gandini [9]

24

Medida de la temperatura exterior ambiente y de la humedad relativa Bien la temperatura exterior ambiente y bien la correspondiente humedad relativa se miden normalmente con sensores de temperatura del tipo PT100 (ver apartado 2.2.1).

3. PROTOTIPOS DE ENSAYO DE FACHADAS VENTILADAS PRESENTES EN LA LITERATURA

3.1 DESCRIPCIÓN DE LOS PROTOTIPOS DE ENSAYO Durante los proyectos europeos PV-Hybrid-Pas e IMPACT se desarrolló un sistema experimental llamado Test Reference Environment (TRE). Este sistema experimental fue desarrollado en el Joint Research Center de Ispra (Italia). El principal propósito de este sistema experimental es la evaluación del intercambio térmico del modulo FV en condiciones climáticas exteriores, con el ambiente a su alrededor, obteniendo varias series de datos para cada módulo FV bajo diferentes condiciones de contorno. El prototipo TRE se construyó de tal manera que la energía térmica obtenida por intercambio convectivo y radiativo en la parte posterior de cada módulo FV pueda ser medido con precisión.

Figura 14. Test Reference Environment (TRE) en el Joint Research Center de Ispra (Italia).

Fuente: Bloem [5]

El TRE esta formado por una caja de madera bien aislada con una abertura cuadrada (120 x 120 cm) el la cual se puede posicionar el modulo FV. La caja permite ventilar la parte de atrás del modulo FV con un caudal de aire de 10 cm de espesor. Las dimensiones exteriores del TRE son 203 x 203 x 46 cm y la abertura interna permite la instalación de módulos FV con dimensiones hasta 120 x 120 x 3 cm. La caja esta aislada por una capa de polistirene expandido (EPS) de 10 cm de espesor. El aire entra en el TRE desde la entrada inferior y se extrae desde la salida superior, por medio de un tubo de PVC, de 20 cm de diámetro, colocado en la parte detrás, y sombreado por la propia caja. Por toda la longitud del canal de aire, un tubo del mismo tamaño pero con una abertura de 25 mm se ha utilizado para difundir el flujo de aire homogéneamente a lo largo de la altura del módulo. Para garantizar una entrada no turbulenta, se ha instalado una malla de canales con sección hexagonal del tipo “honey comb“ (Figura 15). Una particularidad del TRE es el sistema de soporte que permite cualquier inclinación de la caja desde 30 ° hasta la inclinación vertical.

25

Figura 15. Honey combs en la abertura de entrada del TRE. Source: JRC – Ispra (Italy)

Durante la ejecución de los proyectos PV-Hybrid-Pas e IMPACT, en el TRE [9] se analizaron diferentes tipos de módulos FV, cada uno con una composición diferente (cristal o tedlar como lámina posterior) y diferente densidad de células FV. Dentro de estos módulos, algunas células se han puesto en circuito abierto y otras en cortocircuito para medir la temperatura y radiación respectivamente. Además, se insertaron termopares en el proceso de laminación de los módulos. Los experimentos se realizaron en modo de ventilación forzada para varias velocidades del aire.

Figura 16. Diferentes configuraciones de los módulos FV analizados el el TRE. a) Módulo vidrio-vidrio

con 121 células (alto derecha); b) Módulo vidrio-vidrio con 64 células (bajo izquierda); c) Módulo vidrio-tedlar con 121 células (alto derecha); d) 1 Módulo tedlar-vidrio con 121 células (alto izquierda).. Fuente:

Gandini [9]

El sistema experimental TRE fue diseñado para ser colocado en la abertura sur de un tipo de celda de ensayo llamada PASLINK (Figura 17). La celda PASLINK [8] fue desarrollada en los proyectos Europeos antes mencionados; esta celda está formada por una caseta prefabricada de dos habitaciones con una estructura bien aislada. La habitación más grande, llamada "Test room", tiene aberturas extraibles donde es posible testear diferentes tipos de cerramientos de edificios con dimensiones máximas de 2,5 x 2,5 m. El principal objetivo de las pruebas en las celdas PASLINK es la identificación del valor UA y gA de los componentes testeados. Para determinar estas propiedades térmicas se requiere la determinación del balance térmico a nivel de Test room. En este caso, la habitación de prueba actúa como un calorímetro, lo que permite mediciones precisas de los intercambios de calor, también a través del componente. La Test room está

26

equipada con sistemas de calefacción y refrigeración que permiten el control preciso de las condiciones climáticas interiores. Otro aplicación de este tipo de celdas es la evaluación del balance térmico a nivel de componente. En este caso, la celda PASLINK se utiliza como una infraestructura que permite el monitoreo del elemento fachada.

Figura 17. PASLINK test cell en el BBRI institute of Limelette (Belgium). Fuente: Flamant [8]

Otro ejemplo de sistema experimental, llamado TWINS (Testing Window Innovative Systems, Figura 18), ha sido diseñado y construido por el Departamento de Energía del Politecnico di Torino [13]. El sistema TWINS consta de dos celdas de ensayo idénticas, una de las cuales se utiliza como referencia (celda de ensayo A, Figura 18) y se deja sin cambios durante la campaña experimental y la otra se utiliza para monitorizar soluciones diferentes de fachadas activa (celda de ensayo B, Figura 18). El objetivo principal de esta instalación experimental es obtener el conocimiento detallado de las prestaciones de las fachadas transparentes ventiladas. La instalación permite análisis sensitivos para evaluar la influencia del caudal de aire, del acristalamiento y de los dispositivos de sombreado sobre el comportamiento global de una fachada activa y, por lo tanto, proveer informaciones útiles sobre su optimización. Los componentes analizados son fachadas transparentes ventiladas naturalmente y mecánicamente.

Celda de ensayo B Celda de ensayo A

Figura 18. TWINS test cells en el Politecnico di Torino (Italy). Test cell B (left), test cell A (right). Fuente: Politecnico di Torino (Italy)

Las celdas TWINS están formadas por dos casetas de acero con paredes aisladas con una capa de EPS de 4 cm de espesor. Las dimensiones exteriores de las dos casetas son 160 x 250 x 360 cm. Las instalaciones están equipadas con un sistema de climatización que mantiene en el ambiente interior condiciones higro-térmicas controladas e iguales.

27

La ultima configuración implementada en las TWINS fue un sistema de ventilación híbrida " todo o nada": la fachada funcionaba en convección natural cuando la radiación solar era baja; al aumentar de la radiación, se encendían unos ventiladores, accionados con módulos FV, que realizaban una ventilación puramente forzada. En la fachada ventilada el aire se recogía desde el ambiente interior climatizado y se eliminaba en la parte superior. En ambas las celdas TWINS y PASLINK, el tubo de distribución del sistema de acondicionamiento del aire está constituido por “textile hoses” (Figura 19), para que las condiciones climáticas interiores sean los más homogéneas posible, disminuyendo el gradiente vertical de temperatura.

a) b)

Figura 19. a) Textile hoses utilizadas en las celdas TWINS. Fuente: Politecnico di Torino (Italy). b) Textile hoses utilizadas en las celdas PASLINK. Fuente: Flamant [8]

En el Laboratorio de Ensayos Energeticos de Componentes de la Edificación (LECE, CIEMAT) de Almería (España) se ha construido una instalación experimental para analizar el comportamiento de una chimenea solar [10]. El objetivo principal del estudio es la evaluación de la eficiencia térmica de una fachada doble en ventilación natural, considerando dos configuraciones diferentes (ver Figura 20). La instalación no tiene una habitación adyacente, ya que el interés del trabajo era más enfocado al desarrollo de un modelo dinámico del comportamiento térmico de la chimenea solar, y se decidió analizar la interacción con el edificio en estudios sucesivos.

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Configuración A Configuración B

Figura 20. Instalación experimental de chimenea solar en el laboratorio LECE de Almería (España). Fuente: Herrero [10].

La dimensiones exteriores de la chimenea solar del LECE son 100 x 450 x 35 cm, con una superficie de captación de 100 x 350 cm. Entre el panel exterior de vidrio y la capa de hormigón armado la chimenea existe un canal de aire de 20 cm de ancho. En la primera configuración (Figura 20, izquierda), se midieron las temperaturas en el plano paralelo a la superficie captadora, teniendo en cuenta el efecto borde y desestimando las medidas de velocidad del aire interior realizadas por considerarlas contaminadas por el efecto del viento; en la segunda configuración (Figura 20, derecha), se colocaron protecciones contra el viento: una salida superior orientable al viento y un parapeto a la entrada de la chimenea, así que las temperaturas y velocidades del aire que se midieron en la fachada no estaban tan afectadas por el efecto del viento, a menudo influyente en Almería. En este segundo ensayo se realizaron medidas térmicas y de velocidad del aire en el plano central perpendicular a la superficie captadora.

3.2 SISTEMA DE MONITORIZACIÓN EN LOS PROTOTÍPOS DE ENSAYO La monitorización dinámica de los sistemas con fachadas ventiladas esta basada sobre la toma de medidas de los siguientes parámetros, necesarios para los posteriores análisis: - Temperaturas de las superficies y del canal de aire; - Velocidad y caudal del aire en el canal; - Condiciones climáticas exteriores

3.2.1 Medidas de las temperaturas superficiales La mayoría de los estudios en la literatura subraya la dificultad en la realización de las mediciones de la temperatura superficial, debida a la incertidumbre causada por los efectos de la radiación solar [7,13]. Normalmente si la masa del sensor es pequeña estos efectos disminuyen. Una alternativa podría ser la utilización de sistemas de medición infrarroja (piranómetros infrarrojos o termo-cámaras), pero estos sistemas no son adecuados para mediciones en continuo y no son completamente insensibles a la radiación solar [7]. La solución más utilizada es la de poner diferentes tipos de protecciones a los sensores.

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Por ejemplo, en el monitoreo del edificio de oficinas de Torino [7], las mediciones de las temperaturas superficiales se realizaron mediante la utilización de dos tipos diferentes de dispositivos de sombreado: un semi-cilindro de plástico cubierto de aluminio para las medidas de las superficies exteriores y una protección de “tape” de aluminio, fijado en la superficie opuesta a la de los sensores, para las medidas de las superficies internas. Otro método consiste en utilizar sensores sin protección (termopares o termoresistencias) y determinar los errores de las medidas en función de la radiación solar, creando una especie de curva de calibración para corregir los datos medidos.

3.2.2 Medidas de las temperaturas del canal de aire En [7] las temperaturas del canal de aire se midieron con sondas protegidas por un cilindro de latón cromado (150 mm de longitud, 30 mm de diámetro) y ventiladas por medio de micro-ventiladores. 3.2.3 Medidas de las velocidades del aire en el canal de la fachada En [10] velocidades del aire en un canal de 0.2 m de ancho y de 3.5 m de altura se midieron con 4 anemómetros de hilo caliente (Configuración A, Figura 20), uno en la abertura de entrada del aire y 3 a lo largo de la altura del canal. En las pruebas sin la influencia del viento (Configuración B, Figura 20) las velocidades en el canal se midieron con 5 anemómetro de hilo caliente, 3 en a la misma altura (2,5 m) y 2 a diferentes alturas (1,5 m y 4,30 m).

3.2.4 Medidas del caudal de aire en la fachada En el sistema TRE sólo se analizó el caso de ventilación mecánica, y el flujo de aire se ha medido a la salida del tubo de recogida del aire mediante un anemómetro de hilo caliente [4] (ver Figura 21). Se midió la velocidad del aire en cinco puntos de la sección de salida del conducto de extracción del aire (ver Figura 22), para obtener un valor más preciso de la velocidad media.

Figura 21. El tubo de extracción del aire en el sistema TRE: la flecha indica la posición

de la sonda del anemómetro. Fuente: Bloem [4]

Figura 22. Posiciones de la sonda del anemómetro con respecto a la sección del

conducto de extracción del sistema TRE. Fuente: Bloem [4].

En el sistema TWINS se analizó tanto la ventilación mecánica como la natural. En el caso de la ventilación mecánica, se colocó un orificio calibrado en medio del tubo de salida del aire para medir el caudal extraído mecánicamente por el ventilador. Con respecto al caso de ventilación natural, se tuvieron que utilizar métodos de medición

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directos; por lo tanto, se utilizó la técnica de inyección de gas (ver apartado 2.2.4), comparando y calibrando las medidas con las recogidas en el mismo tiempo con un anemómetro de hilo caliente. También en la celda PASLINK [8] de Limelette, se utilizó la técnica de inyección de gas para determinar el caudal de aire en ambos lados de la protección solar insertada en la fachada (ver Figura 23). En particular fue seleccionado el método de inyección constante (véase el apartado 2.2.4), utilizando N2O como gas.

Figura 23. Medidas con la técnica de inyección de gas en la celda PASLINK de Limelette.

Fuente: Flamant [8]

3.2.5 Posiciones de los diferentes sensores La Figura 24 muestra las posiciones de los diferentes sensores en algunas de las instalaciones de ensayo analizadas.

31

Celda de ensayo TRE Fuente: Bloem [4]

Edificio de oficinas en Torino Fuente: Corgnati [7]

TWINS. Test cell A. Fuente: Micono [12]

TWINS. Test cell B. Fuente: Micono [12]

PASLINK test cell. Fuente: Flamant [8]

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Chimenea solar. Configuración A

Fuente: Herrero [10]

Chimenea solar. Configuración B

Fuente: Herrero [10]

Figura 24. Posición de los sensores en los prototipos de ensayo

3.2.6 Medidas de las condiciones climáticas exteriores Para medir la radiación solar global incidente en la fachada, en la literatura se ha utilizado casi siempre un piranómetro [9,11]. El piranómetro tiene que estar colocado sujeto a una pared vertical, paralela a la fachada a analizar, de forma que la radiación que mida sea lo más parecida posible a la que recibe la fachada. El piranómetro, tal y como se puede ver en la Figura 13, está compuesto por una protección esférica de vidrio que aumenta la incertidumbre de la medida porque su sensor interno no mide solo la radiación que directamente incide sobre él y sino que también mide la radiación reflejada dentro de la capa de vidrio. Además siempre hay que una parte de la radiación solar que incide el modulo FV se refleja en el vidrio exterior y no viene absorbida y el piranómetro no puede estimar este porcentaje sin aproximaciones. Por estas razones en el JRC de Ispra [9] se ha desarrollado un mini-módulo de referencia que mide la radiación absorbida por la fachada FV monitoreada de manera más precisa que con el piranómetro. Las medidas de la velocidad y dirección del viento se han hecho normalmente con anemómetros de veleta (ver Figura 25) [9].

Figura 25. Anemómetro de veleta. Fuente: Gandini [9]

33

En la mayor parte de los experimentos descritos en literatura [10], la temperatura exterior y la correspondiente humedad relativa se miden con sensores de temperatura del tipo PT100 (ver apartado 2.2.1). 3.2.7 Medidas sobre los módulos FV de la fachada ventilada Calculo de la curva I-V de los módulos FV En [9] se ha realizado un módulo con un conexionado especial (Figura 26) para la medida simultánea de la intensidad de corto circuito (Icc) y de la tensión de circuito abierto (Voc). El esquema de conexiones entre el módulo FV y el inversor se muestra en la figura 26.

Figura 26. Medida de la curva I-V: conexiones entre módulo FV e inversor. Fuente: Gandini [9]

Tal y como se muestra en Figura 26, las primeras 6 filas verticales se conectan en serie. En el circuito donde pasa la corriente se pone un shunt (resistencia más baja de 1 Ohm) y un inversor; al circuito se conectan también dos resistencias muy altas. Desconectando el inversor, en los extremos del shunt se puede medir la corriente de corto circuito que está directamente relacionada con la irradiancia incidente. Si se conecta el inversor a la red, el módulo funciona en condiciones de máxima potencia (MPP, maximum power point), así, el shunt mide la corriente que corresponde al punto de máxima potencia (IMPP) y las resistencias altas miden el correspondiente voltaje (VMPP). Estos valores permiten definir los 3 puntos que caracterizan la curva I-V del módulo (ver Figura 27).

34

Figura 27: Curva I-V de un módulo FV

En la literatura se encuentran también métodos matemáticos para calcular el punto de máxima potencia a partir del punto de cortocircuito y de circuito abierto. En [11] se presenta un procedimiento, desarrollado por J. M. Ruíz Pérez, para calcular la corriente correspondiente al punto de máxima potencia ( MPPI ) y el voltaje ( MPPV ). Las expresiones de aplicación son las siguientes ((19) y (20)):

CAMCCMPP vD1II −= (19) )I/I(rv)]D/v[ln(1VV CCMPPsCAMCACAMPP −−= (20)

Donde:

CCI = corriente de cortocircuito; CAv = voltaje de circuito abierto normalizado.

Medidas de la temperatura superficial de los módulos FV y de la radiación solar incidente sobre las células Durante el proyecto europeo IMPACT, se desarrollaron "mini-módulos” de referencia [9] para medir con precisión la temperatura superficial de los módulos FV y la radiación solar absorbida por las células FV. Cada uno de estos módulos (ver Figura 28) está formado por 9 células FV: la célula situada en el centro del módulo no está conectada con las demás, mientras las otras 8 células alrededor de ella están conectadas en serie. La célula central esta cortocircuitada a través de un shunt cuya tensión está directamente relacionada con la irradiancia. Mientras tanto, las 8 células restantes se mantienen en circuido abierto de forma que su tensión está relacionada con la temperatura de operación de las células FV. Estas medidas se comparan con las de un termopar laminado detrás de una de las 8 células en serie. En [9] se utilizaron 4 mini-módulos para representar el rango de posibles condiciones operativas en las que se tendría que encontrar la fachada ventilada a analizar en el TRE. Uno de estos mini-módulos estaba aislado en la parte posterior con 10 cm de poliestireno expandido (ver Figura 28): este módulo permite identificar la peor condición operativa, que se realiza cuando el módulo FV no tiene pérdidas térmicas por convección o radiación en la parte detrás. La otra situación límite esta representada con el mini-módulo sin ningún tipo de aislamiento posterior, es decir dejándolo al aire libre (free rack mounting ): este módulo indica la situación más favorable, donde el módulo tiene el enfriamiento más significativo y por lo tanto la eficiencia eléctrica más

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alta. Se analizaron otros mini-módulos: el módulo ventilado por un canal de aire detrás (ver Figura 28) y un módulo integrado en un techado.

Figura 28. Mini-módulo FV completamente aislado (izquierda); Mini-módulo FV ventilado (derecha).

Fuente: Gandini [9]

Tal y como se muestra en la Figura 29, Gandini construyó un grafico con las medidas tomadas en los 4 mini-módulos. La figura muestra las diferentes condiciones operativas en las que se puede encontrar la fachada a analizar, relacionado la temperatura ambiente frente a la radiación solar de un día soleado.

Figura 29. Medidas tomadas el 26 de marzo de 2002 en el JRC de Ispra

4. ACTIVIDAD EXPERIMENTAL A REALIZAR EN LLEIDA

4.1 PLAN DE TRABAJO DE LA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL Considerando las experiencias analizadas, se distinguen dos niveles de monitorización y de análisis de la eficiencia energética de las FDVFV bajo condiciones climáticas reales: un análisis a nivel del componente “módulo FV” y un balance energético a nivel del componente “fachada FV ventilada” en contacto con un ambiente de control a temperatura constante. Por esta razón la actividad experimental se ha dividido en dos etapas:

- La primera etapa consiste en la construcción de un sistema experimental, del tipo TRE, para testear módulos que se distingan por tener diferente composición y densidad de las células FV; los principales objetivos de este primer ensayo serán por un lado obtener datos y hacer comparaciones sobre la eficiencia eléctrica y térmica de los diferentes

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módulos FV, evaluando la incidencia de diferentes parámetros sobre las prestaciones de los módulo FV y por otro lado validar los TYPES de TRNSYS desarrollados por CIMNE para el caso de ventilación forzada;

- La segunda etapa consiste en la construcción de un sistema experimental más sofisticado, para testear la los módulos FV en una configuración más parecida a la que se encontrará en un edificio real, o sea considerando los intercambios energéticos del componente fachada (compuesta por módulos FV, canal de aire y capa de vidrio posterior) con una habitación adyacente, mantenida a temperatura constante; los principales objetivos de este segundo ensayo serán por un lado analizar la eficiencia energética del componente en diferentes situaciones y por otro lado validar los types de TRNSYS desarrollados por CIMNE en el caso de ventilación natural.

A continuación se realiza una descripción más detallada de la metodología que caracteriza cada una de estas dos etapas.

4.2 PRIMERA ETAPA: EFICIENCIA ELÉCTRICA Y TÉRMICA DE LOS DIFERENTES MÓDULOS FV

4.2.1 Descripción del andamio solar construido en el PCiTAL de Lleida El andamio solar construido en la primera etapa está inspirado en el prototipo TRE (ver apartado 3.1) construido en Ispra y ha sido desarrollado bajo las indicaciones y el intercambio de informaciones con el centro de investigación JRC de Ispra. El andamio se ha construido en el Parc Tecnològic de Gardeny de Lleida (PCiTAL) y está constituido por una caja de madera cuyas dimensiones exteriores son 206 x 236 x 37 cm (ver Figura 30 y Figura 31). La madera que constituye la caja es un contrachapado (espesor 2 cm) barnizado de blanco para minimizar la absorción de radiación solar. La caja de madera tiene una estructura de soporte de aluminio que permite mover la caja desde la posición vertical hasta la horizontal, pasando por tres inclinaciones intermedias, permitiendo analizar el módulo FV bien como componente de fachada y bien como cubierta inclinada (ver Figura 32).

Figura 30. Vista frontal y posterior del andamio solar construido en el Parc Tecnològic de Gardeny

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Figura 31. Vista lateral del andamio solar construido en el Parc Tecnològic de Gardeny

Figura 32. Imagen de la estructura de soporte del andamio solar

En la parte frontal de la caja de madera se ha realizado una abertura cuadrada de 151.5 cm de lado en la cual se van a insertar módulos FV en posición vertical o en

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horizontal (ver Figura 30). Los módulos FV a analizar en este prototipo son los definidos en la tarea 3 del proyecto y fabricados a medida por ISOFOTÓN. Tal y como se describe en el entregable E.3.1, se van a analizar 4 módulos diferentes con la distribución de células que se muestra en la Figura 33.

a)

b)

c)

d)

Figura 33. Módulos FV propuestos por ISOFOTÓN para integración en edificios. Dimensiones de cada

módulo FV: 98.2 x 151.5 cm. Dimensiones de las células FV: 15.6 x 15.6 cm.

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En la figura 34 se muestra una foto de uno de los módulos FV. Se muestra la configuración con mayor número de células, formada por una lámina de cristal transparente, la lámina de células FV con EVA en los espacios entre célula y una capa de Tedlar transparente en la parte posterior del módulo.

Figura 34. Imagen del módulo FV con la densidad más alta e células FV

La caja de madera es hueca y a lo largo de toda su altura, se encuentra el canal de aire de sección rectangular. El canal de aire tiene una anchura variable de 10 cm hasta 20 cm, obtenidas poniendo detrás del canal unas capas de material aislante (EPS) de diferentes espesores (ver Figura 31), revestidas en ambos lados por madera. Los laterales del canal están cerrados con paredes en madera aislada de forma que los interfieran lo menos posible en el intercambio energético con el resto del sistema. Todas las superficies exteriores no acristaladas se pintan de blanco para evitar ganancias de radiación solar no deseadas. En el canal de aire del andamio solar, el aire entra por un abertura debajo del módulo a través de un entrada laminar (honey comb),; el aire atraviesa el módulo FV y sube por un tubo en PVC de 20 cm de diámetro situado en la parte posterior de la estructura para que esté sombreado por la misma estructura. Tal y como se muestra en la Figura 31, el tubo de subida conduce a un ventilador centrifugo de frecuencia variable que aspira el aire a diferentes velocidades. El ventilador (marca Sodeca, modelo CMA-527-2M) está conectado con un regulador de velocidad (marca Sodeca, modelo RM-01). pone el ventilador a nivel del suelo.

4.2.2 Descripción de las diferentes pruebas de monitorización en el andamio solar En el andamio solar se plantea la monitorización de dos familias de 4 módulos FV con la distribución de células mostradas en la Figura 33. Una familia de cuatro módulos estará formada por módulos del tipo cristal-FV-cristal y la otra familia estará formada por módulos del tipo cristal-FV-tedlar. En total se van a ensayar 8 módulos FV. Las diferentes configuraciones han sido propuestas conjuntamente por Pich Aguilera y por ISOFOTÓN y se han diseñada y construido exclusivamente para la ejecución del proyecto PVTBuilding. Tal y como se puede apreciar en las figuras 33 y 34, todos los módulos FV tienen una baja densidad de células. Se decidieron este tipo de configuraciones porque, de esta manera, en un mismo módulo existe una parte transparente y una parte traslúcida, de manera que se evita tener que instalar por un lado los módulos FV y por otro lado los cristales.; esta configuración podría ser atractiva también en el caso que una gran zona de fachada tenga que ser cubierta y el coste llegue a ser importante.

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En el andamio se analizará solo la situación de convección forzada debido a diferentes razones:

- Con estos ensayos se pretende realizar una caracterización térmica y eléctrica de diferentes módulos FV en condiciones atmosféricas exteriores. Se va a realizar un análisis comparativo, por lo tanto, mientras se mantegan las condiciones en cada ensayo, los resultados comparativos no difieren por el hecho de trabajar en convección natural o en convección forzada.

- La ventilación natural también se descarta porque la altura del módulo (151.5 cm) no permite que se desarrolle un flujo convectivo natural con velocidades suficientemente elevadas como para que puedan ser medidas con anemómetros de hilo caliente.

- En casi todos los edificios de oficina (que son las principales aplicaciones de las fachadas ventiladas fotovoltaicas) la instalación del sistema de ventilación mecánica es obligatoria para garantizar las renovaciones por hora. Por lo tanto, si el sistema de ventilación forzada ya existe, la instalación en el edificio de una fachada fotovoltaica con ventilación forzada es una solución adecuada.

Se plantea por lo tanto un análisis sensitivo variando los siguientes parámetros: - Anchura del canal (3 anchuras); - Flujo másico de aire;

Durante la realización de cada ensayo se van a instalar dos módulos FV idénticos a los ensayados con la misma inclinación, pero uno de ellos con una capa de material aislante en la cara posterior y el otro completamente libre. Con estas dos configuraciones se marcarán las condiciones límites entre las que se debería mover el el módulo ventilado en el prototipo. Periodos de monitorización Las medidas de monitorización se deberían realizar en periodos continuos de una semana en los momentos más calurosos de verano y los más fríos en invierno. Debido a que no se conocen, a priori, cuando se van a producir estos momentos, se plantea realizar campañas de una semana de monitorización en las cuatro estaciones del año. El intervalo de adquisición de datos será de 10-15 minutos, que es la media de la medida en este intervalo de tiempo.

4.2.3 Descripción del sistema de monitorización del prototipo construido en la PCiTAL de Lleida Los sensores empleados en la monitorización del andamio solar se muestran en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. El primero módulo FV a analizar será lo que tiene la densidad de células FV más alta (ver Figura 34); 2 de las 4 filas de células FV se monitorizarán con 2 filas de 3 termopares, colocadas en la superficie interior módulo FV, a 53, 140 y 185 cm de altura de la fachada. En cada fila los termopares distan respectivamente 43.5 y 86.8 cm (ver Figura 35). En el canal de aire de ancho variable, se colocarán, por medio de unas rejillas, 2 filas de 3 termopares a la misma distancia tanto del módulo FV como de la lámina de aluminio posterior, en correspondencia con la entrada y de la salida del aire (a 47 y a 192 cm de altura) (ver Figura 36). En la superficie interior y en la exterior del aislante en

41

EPS se van a instalar otros 3 termopares a 53, 140 y 185 cm de altura. El esquema de la colocación de los termopares en el andamio se muestra en las Figura 35 y Figura 36.

Figura 35. Colocación de los termopares en el andamio solar. Módulo en posición horizontal (izquierda);

módulo en posición vertical (derecha).

Figura 36. Colocación de los termopares en el andamio solar. Vista lateral,

módulo en posición vertical

La velocidad del aire a la salida del canal se mide con un anemómetro de hilo caliente situado en el tubo de entrada del ventilador. Debido a que el perfil de la velocidad del aire en el tubo de salida no es uniforme y tiene valores nulos en las zonas en contacto con las paredes y valores máximos en la zona central, se van a realizar las medidas en diferentes puntos de la sección del tubo (ver Figura 22).

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Los datos meteorológicos se obtienen de una estación meteorológica modelo Davis Vantage Pro2, y que consta de:

- 1 anemómetro de veleta para medir velocidad y dirección del viento; - 1 termo-higrómetro para medir temperatura externa, humedad relativa y

temperatura del punto de rocío. Para realizar la medida de la radiación solar incidente se van a utilizar las células FV de los mismo módulos conectadas en cortocircuito, en la figura 37 se muestra el esquema del circuito electrónico que va a permitir la medida simultánea de la Icc y del Voc de cada fila de células FV en cada módulo. En el caso de la Icc , la radiación solar absorbida obtenida se va a contrastar con las medidas obtenidas por un piranómetro.

Figura 37. Esquema del autómata eléctrico para medir los 3 puntos

de la curba I-V de los módulos FV

Para medir el comportamiento eléctrico de los módulos FV se va a utilizar un autómata programable (PLC) (ver Figura 37). El sistema permite dejar cada fila del módulo en cortocircuito para un cierto intervalo de tiempo programable y, el siguiente intervalo, permite poner cada fila en circuito abierto. Las medidas de cortocircuito, realizadas por medio de un shunt conectado a una de las filas, permiten calcular la irradiancia incidente sobre el módulo FV, mientras las medidas de circuito abierto permitirán calcular la temperatura media de cada fila de células FV que compone el módulo. En cada uno de los otros 2 módulos que funcionan simultáneamente en el sistema experimental (ver apartado 4.2.2) se dejará una fila en circuito abierto y las otras tres filas en cortocircuito.

Medida Sensor Cuantidad

Velocidad del aire a la salida de la fachada

Anemómetro de hilo caliente

1

Temperaturas superficiales e interiores al canal

Termopar tipo J aisladas

Temperatura, humedad relativa exterior, dirección y velocidad

Estación meteorológica 1

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del viento

Radiación solar Piranómetro termoeléctrico

1

Temperatura y radiación absorbida por los módulos FV

Sistema electrónico 1

Tabla 5. Sensores empleados en la monitorización del andamio solar

El sistema de adquisición de los datos de los sensores es un Datalogger Campbell CR1000, capaz de recibir hasta 16 canales. Para aumentar el número de los canales desde 16 hasta 32 se ha conectado el datalogger con un multiplexor.

4.3 SEGUNDA ETAPA DE LA ACTIVIDAD EXPERIMENTAL: EFICIENCIA ENERGETICA DEL COMPONENTE FACHADA FOTOVOLTAICA VENTILADA

4.3.1 Descripción de la fachada a instalar en las TWINS del Politecnico de Torino La segunda tarea de la actividad experimental consiste en la instalación de una fachada fotovoltaica ventilada semitransparente en una de las dos celdas TWINS, desarrolladas por el departamento de energética del Politecnico de Torino (ver apartado 3.1). La fachada FV estará compuesta por tres módulos FV colocados en posición horizontal, unidos con silicona y sujetados a la estructura mediante pinzas (ver Figura 38). Se descarta la estructura de montantes y travesaños para favorecer la situación de flujo laminar y se evitan perforaciones en los paneles por tratarse de vidrio templado.

Figura 38. Vista frontal de la fachada a construir en las TWINS.

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figura 39. Vista lateral de la fachada a construir y de la caseta TWINS.

La fachada estará formada por un marco externo (de perfil cuadrado) de acero pintado con sección de 5x5 cm; dentro de este marco se introducida la piel interna, formada por un marco en aluminio donde se colocará un vidrio doble con cámara de aire de 4+4/12/4. La piel exterior estará compuesta por un perfil móvil (2 T) fijado al marco interno (ver Figura 40) que permitirá la regulación de la anchura del canal de aire y que estará preparada para contener las placas fotovoltaicas.

Figura 40. Perfil móvil para enganchar la fachada con la caseta TWINS

Las paredes laterales serán de material aislante de 2 cm y permitirán la variación del ancho de la fachada. El aire entra en el componente por medio de una rejilla horizontal colocada en el extremo inferior de la fachada; cuando la fachada actúe en ventilación natural, el aire saldrá de la fachada a través de dos rejillas verticales (removibles y sustituibles con un vidrio/panel), colocadas en el extremo superior de la fachada (Rejilla v02 en figura 39); estas dos rejillas permitirán aprovechar también del “efecto Venturi”, y, por lo tanto, mejorarán la evacuación del aire caliente. Por otra parte, cuando la fachada actúe en

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ventilación forzada, las rejillas se quitarán y el aire será recogido en un tubo unido a un ventilador con variador de frecuencia. El primer ensayo de la fachada estará compuesto por módulos FV ISOFOTÓN del tipo vidrio-vidrio. Los ensayos con las configuraciones vidrio-tedlar dependerán del coste de la estructura, ya que los problemas estructurales que conllevan podrían implicar la utilización de una estructura de soporte más compleja y cara. La otra celda, llamada “de referencia” tendrá instalada una configuración de cristal simple, que permitirá compara las mejoras de la fachada FV ventilada con respecto a la configuración de fachada más estándar que se encuentra en el mercado.

4.3.2 Descripción de las diferentes pruebas de monitorización en las TWINS En la celda TWINS se plantea la monitorización de un solo tipo de módulos FV (ver Figura 33, a)), con dimensiones 98.2 cm x 151.5 cm. En este ensayo, a diferencia del prototipo de Lleida, será posible analizar el caso de ventilación natural porque la altura de la fachada FV es de 3 metros y, por lo tanto, permite que se desarrolle un flujo convectivo con velocidades bastante altas para que sean detectadas con bastante precisión por los instrumentos de medida En el caso de ventilación natural las entradas y las salidas del aire no se conectarán a la habitación interior y el aire saldrá por las rejillas puestas en la parte superior. Con este ensayo se plantea un análisis sensitivo variando la anchura del canal (3 anchuras). En el caso de la ventilación forzada se planteará también un análisis sensitivo variando la anchura del canal (3 anchuras) y el flujo másico de aire Periodos de monitorización Las temperaturas se deberían monitorizar como mínimo durante tres meses en cada periodo: de Junio a Septiembre en verano y de Diciembre a Febrero en invierno. De esta manera se garantiza una cobertura de periodos suficientemente grandes. Las medidas de velocidad y caudal se deberían realizar en periodos continuos de una semana en los momentos más calurosos de verano y los más fríos en invierno. Debido a que no se conocen, a priori, cuando se van a producir estos momentos, se plantea realizar campañas de una semana de monitorización en los meses de Diciembre, Enero y Febrero, y Junio, Julio y Agosto. El intervalo de adquisición de datos debería ser de 10-15 minutos, que es la media en este intervalo de tiempo. Para comparar los resultados, se realizará una normalización de las medidas respecto a la fachada de referencia.

4.3.3 Descripción del sistema de monitorización a colocar en las celdas TWINS de Torino Los sensores empleados en la monitorización de las TWINS se muestran en la Tabla 6. Se colocarán 6 filas de 3 termopares en la superficie interior del módulo FV, a 15, 63. 112, 162, 211 y 260 cm de altura de la fachada. En el canal de aire de ancho variable, por medio de unas rejillas se colocarán 2 filas de 3 termopares a la misma distancia tanto del módulo FV como del aislante detrás, en correspondencia de la entrada y de la salida del aire (a 27 y a 290 cm de altura de la fachada). En cada fila de termopares, los sensores están separados 43 cm y distan 37 cm de los laterales.

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En la superficie interior y exterior del vidrio posterior se colocarán 6 filas de 3 termopares, a 15, 63. 112, 162, 211 y 260 cm de altura de la fachada; a las mismas alturas se colocarán también los termopares en la habitación adyacente a la fachada ventilada. El esquema de la colocación de los termopares en las TWINS se muestra en la Figura 41 y en la Figura 42.

Figura 41. Colocación de los termopares en las TWINS. Vista frontal.

Figura 42. Colocación de los termopares en las TWINS. Vista lateral

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Se plantea que la medida del flujo de calor en la cara interior del cristal posterior sea realizada con fluxómetros de pastilla, aunque este sistema conlleva unos errores considerables. En particular, cuando se utilizan con superficies envidriadas, el vidrio tienen una conducibilidad térmica mucho más grande de la del fluxómetro y de hecho este instrumento de medida funciona como aislante porque el calor elegirá como circuito preferencial el del vidrio. Los profesores del Politecnico de Torino midieron este error mediante un experimento, tal y como se puede ver en Figura 43.

Figura 43. Experimento para medir los errores de medida del fluxómetro

Con referencia a la Figura 43, midiendo Q1 y Q2, se puede ver que la diferencia entre ellos será la influencia del fluxómetro. Después de medir el error, los profesores se dieron cuenta que el efecto era pequeño y, por lo tanto, comentan que, aunque los fluxómetros están protegidos con material reflectante, el efecto de la radiación solar incidente es mayor que el error debido a la diferencia de conductividades respecto al cristal. En el caso de ventilación forzada, la velocidad del aire a la salida del canal de aire se mide con un anemómetro de hilo caliente. En el caso de ventilación natural será necesario utilizar la técnica de inyección de gas (ver apartado 2.2.4), comparando y calibrando las medidas con las que se toman en el mismo tiempo con un anemómetro de hilo caliente. Los datos meteorológicos se obtendrán por medio de:

- 1 termo-higrómetro (marca LSI, modelo DMA 575) que mide temperatura exterior y humedad relativa, dotado de protección antiradiante y ventilado naturalmente;

- 1 anemómetro de veleta producido (marca LSI, modelo DNA 727) que mide velocidad y dirección del viento;

- 1 piranómetro (marca Kipp & Zonen, modelo CMP-11) que se coloca sujeto a una de las casetas, de forma que pueda medir la radiación global (directa y difusa) sobre la superficie vertical en el mismo lugar de experimentación y en el mismo plano de la fachada.

Medida Sensor Cuantidad

Velocidad del aire a la salida de la fachada y caudal de aire

Anemómetro de hilo caliente omnidirectional

Técnica de inyección de gas

1

Temperaturas superficiales e interiores al canal

Termopar tipo J aisladas

cristal cristal

Fluxómetro Resistencia eléctrica

Q1 Q2

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Temperatura y humedad relativa exterior

Termo-higrómetro 1

Dirección y velocidad del viento

Anemómetro de veleta 1

Temperatura de las células FV y radiación absorbida

Sistema electrónico 1

Radiación solar incidente Piranómetro termoeléctrico 1

Flujo térmico a través del vidrio detrás

Fluxómetros 4

Tabla 6. Sensores empleados en la monitorización de las TWINS

El sistema de adquisición de los datos de los sensores es el sistema DataTaker, capaz de recibir hasta 32 señales.

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