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Simulación de proyectos, la herramienta del futuro

La simulación numérica es una técnica informática empleada en diferentes áreas desde hace tiempo. Tradicionalmente, se ha utilizado en el ámbito aeronáutico y de la automoción, debido a los altos niveles de exigencia que demanda el sector. En el caso de la industria HVAC también puede fungir como una herramienta de gran ayuda en el desarrollo de proyectos

Francisco Lara / Fotografías: cortesía de Simulaciones y Proyectos

En los últimos años, se ha comenzado a emplear la simulación numérica compuntacional en las áreas de arquitectura, edificación e instalaciones. De forma lenta, pero inexorable, cada vez son más los proyectos que lo exigen. Esta situación es motivada debido a las peticiones de los clientes (ahorro energético, costes, calidad, confort, etcétera) y otras no menos importantes como la necesidad de mayor precisión en resultados y plazos de ejecución más ajustados.

Estudio de aerodinámica exterior en un Centro Comercial en Lima, Perú

En las simulaciones arquitectónicas o en las instalaciones puede y debe aplicarse desde las etapas más tempranas, pues mientras más se demora la aplicación de estas soluciones en la línea temporal del desarrollo de un proyecto, su influencia y potencialidad positiva se reduce. Por el contrario, cuanto más tempranamente se aplica, la toma de decisiones se ve más positivamente influenciada.

Así pues, en los inicios del desarrollo arquitectónico de un edificio (fase conceptual) deben modelarse aspectos como los indicados a continuación:

Estudio de orientaciones
Sirve para comprobar la influencia de la radiación solar sobre fachadas, estudio de sombras, captación de energía en paneles solares, etcétera

Elección de una orientación
Este tipo de estudios en un edificio puede generar importantes ahorros energéticos, además de que supone una herramienta de gran valor para el desarrollador

Detalle local de velocidades en la zona exterior del Centro Comercial

Análisis de aerodinámica
Se aplica para estudiar el exterior del edificio, así como para calcular velocidades de viento alrededor de él, presiones sobre las fachadas, estudio de vibraciones, entre otros aspectos. Sustituye o complementa los análisis tradicionales en un túnel de viento. De forma virtual se examinan los patrones de velocidad y la influencia de éstos sobre un edificio, con lo que se obtienen resultados interesantes, como la idoneidad de ubicación de una toma de aire exterior en una zona u otra en función de las recirculaciones y contrapresiones. Otra variable que puede analizarse es el potencial de ventilación natural de un edificio

Índice UTCI de confort exterior urbano en una barriada de Barcelona, España

Estudio de confort urbano
A través de análisis de viento, radiación solar, temperatura y humedad, se elaboran estudios anuales para llevar un registro del confort urbano para los transeúntes que pasean alrededor de los edificios. Con ello, se toman medidas correctoras, si fuera necesario, que evitan velocidades excesivas de viento, sobreexposición solar que redunda en un bajo nivel de confort para el peatón, por mencionar sólo algunos ejemplos.

Para estudiar este fenómeno, se emplea la técnica CFD (idénticamente a como se analiza la aerodinámica exterior del inmueble), pero analizada durante todo un año y combinada con el fichero climático de la localidad en la que se encuentra ubicado el edificio.

Cálculo detallado de la perfilería exterior de un sistema de cerramiento en cubierta para obtención del Valor-U de transmitancia térmica y posibilidad de condensaciones superficiales e intersticiales

Se realiza un análisis modal de velocidades de viento, con una velocidad de referencia dada según cada orientación. Los resultados obtenidos se postprocesan y se cruzan con la rosa de vientos de la localidad, la cual ofrece la frecuencia, dirección y fuerza de viento en cada orientación. El resultado es un mapa estadístico de velocidades y dirección de viento integrado para cada orientación y periodo de tiempo considerado.

En fases más avanzadas del proyecto (desarrollo básico o de detalle), la simulación se aplica en los siguientes ámbitos:

Estudio de cerramientos
A través de herramientas de simulación termodinámica se puede analizar el comportamiento comparativo de cerramientos y su influencia sobre el consumo energético del edificio y el confort térmico de los ocupantes. Así, por ejemplo, en un atrio con un vidrio cenital, es vital seleccionar correctamente el factor solar, la transmitancia térmica, entre otros aspectos.

Ubicación de lucernarios en una bodega del Centro Comercial de Chía, en Colombia, para el estudio de la iluminación natural (vista 3D)

Vista en planta y ubicación de los lucernarios (azul)

Dicho estudio sobre el cerramiento (carpintería-vidrio) debe analizarse usando las herramientas de simulación, en este caso de elementos finitos. Los datos arrojados  se emplearán como información de entrada en el software de simulación termodinámica global de los inmuebles

Resultados en LUX de la iluminación natural obtenida en el interior de la bodega

Estudio de iluminación natural
De igual forma y para complementar el tema de los cerramientos, a través de la simulación numérica es posible analizar el comportamiento y efectividad de la iluminación natural en los cerramientos seleccionados, características y acabados de los materiales, etcétera. Esto permitirá evitar efectos indeseados, como deslumbramientos, y conseguir los niveles lumínicos exigidos por la normativa con un mínimo consumo energético

Diseño bioclimático para ventilación natural de un edificio docente en Colombia

DISEÑO Y VALIDACIÓN DE DISEÑOS BIOCLIMÁTICOS
A través de la simulación, se pueden diseñar y validar configuraciones de arquitectura bioclimática. También es factible calcular analíticamente los caudales de aire que ingresan en un edificio y su efectividad para renovarlo y mejorar las condiciones termohigrométricas del ambiente. Ejemplos de diseños bioclimáticos que pueden ser simulados son: chimeneas solares, muros trombe, fachadas activas, etcétera

ESTUDIO COMPARATIVO DE SISTEMAS HVAC
Actualmente, el software de simulación termodinámica permite implementar de forma detallada los sistemas de climatización empleados. La configuración del edificio en cuanto a geometría, materiales, características de los mismos, así como la aplicación de los sistemas HVAC. Esto permite obtener de manera muy precisa los consumos energéticos obtenidos en el inmueble en uso durante un año.

Resultados obtenidos de caudales mediante simulación en la chimenea solar del edificio

Se puede comparar tanto los sistemas de tratamiento ambiental: sistemas radiantes versus sistemas convectivos (fan & coils, todo-aire, entre otros) y sistemas de producción térmica (enfriadora de agua versus rooftop), etcétera.

Idénticamente, dentro del modelo de simulación, es posible incluir sistemas bioclimáticos o de aprovechamiento de energías renovables o residuales, como por ejemplo, captadores solares, cogeneración, agua de procesos, entre otros

SIMULACIONES PARA PROTECCIÓN CONTRA INCENDIOS
El ámbito de la protección contra incendios también supone un campo de aplicación muy extenso para la simulación. Desde el estudio del comportamiento del humo, hasta el análisis de la evacuación de personas del edificio, permite optimizar el diseño arquitectónico en cuanto a materiales, posición y dimensión de salidas de evacuación. Todo ello en beneficio de la seguridad de los ocupantes del inmueble

La simulación tiene una infinidad de utilidades. Aunado a los puntos ya mencionados, también puede aplicarse, y de hecho se exige, cuando se pretende obtener determinados créditos para la certificación LEED de un edificio. Desde la ventilación natural, ahorro energético, hasta la iluminación natural. Para estos casos, siempre se emplea una configuración base (BASELINE) con los diseños propuestos (PROPOSED) y se comprueba mediante software de simulación los efectos en el ahorro energético en KWh/año y kg CO2/año. A más ahorro, mejor puntuación.

En definitiva, la simulación numérica y modelización computacional llegó para quedarse en el ámbito de la arquitectura e instalación de edificios. La tecnología ofrece herramientas de apoyo al diseño que contribuyen al ahorro energético y uso racional de la energía, sobre todo si se considera que los equipos HVAC son los que más gasto representan para el capital de una empresa.

Asimismo, se presenta como un instrumento que ofrece múltiples beneficios económicos y ambientales, además de representar una mejora en el confort de los ocupantes. Por tanto, se debe elevar el nivel de exigencia, al igual que ya se hace en otros sectores, como el automotriz y el aeroespacial, para que el diseño de los edificios y sistemas HVAC sea el más adecuado a los objetivos de eficiencia y ahorro de clientes y usuarios. Éstos disponen de numerosas herramientas de simulación y empresas de consultoría a su alcance para conseguir la mejor calidad en instalaciones y diseños arquitectónicos.

Resultados en términos de consumo energético comparado entre un sistema convencional de fancoils y un sistema de techos radiantes fríos

[author ]Francisco Lara
Ingeniero Mecánico por la Universidad del País Vasco, en España. Ha colaborado en numerosos proyectos para empresas de ingeniería, constructoras y estudios de arquitectura, tanto en España como en el mundo. Actualmente es gerente de Simulaciones y Proyectos, empresa especializada en consultoría de simulación numérica en el ámbito de la arquitectura e ingeniería de la localidad española de Tres Cantos.[/author]

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