Illa de Calor Urbana i Teulades Fresques

REFREDANT EDIFICIS, CIUTATS I EL PLANETA AMB TEULADES FRESQUES

TEULADES FRESQUES
ILLA DE CALOR URBANA
ILLA DE CALOR URBANA I TEULADES FRESQUES
FLUXOS ENERGÈTICS. REFREDANT EL PLANETA AMB TEULADES FRESQUES
SIMULACIONS ENERGÈTIQUES AMB ENERGYPLUS
EXPERIMENTS A SYDNEY AMB TEULADES FRESQUES
FLUXOS D’ENERGIA AL SOSTRE

TEULADES FRESQUES

Alta reflexió solar i alta emitància tèrmica (emissivitat)
Reflecteix la major part de l’energia solar incident i irradia la calor absorbida al cel, especialment de nit
És de gran importància en zones càlides i temperades
La reflexió solar i emitància tèrmica (emissivitat) dels materials utilitzats als edificis són paràmetres importants per la eficiència energètica dels edificis

Font: https://heatisland.lbl.gov/coolscience/cool-roofs

ILLA DE CALOR URBANA

És una àrea metropolitana que és més càlida que les seves àrees rurals circumdants
La causa principal és la modificació de la superfície del terreny mitjançant el desenvolupament urbà utilitzant materials que retenen la calor, amb la construcció d’edificis i paviments
Especialment en climes càlids i temperats, les illes de calor contribueixen al malestar humà (interior i exterior), majors factures d’energia, pic d’energia a l’estiu, més infraestructura elèctrica, apagades a l’estiu, més escalfament global, un augment de la contaminació de l’aire i problemes de salut
Les onades de calor recurrents augmenten aquests problemes

Imatge de perfil de l’illa de calor urbana de Lawrence Berkeley Lab

Es mostra la correlació positiva entre les teulades reflectants blanques i temperatures més fredes
Es pot mitigar l’efecte de l’illa de calor urbana amb teulades fresques que reflecteixen més l’energia solar i absorbeixen menys calor

$C:\Users\Jose\Documents\A 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\2020\SydneyESP.jpg$

Font: (City of Sydney, 2009)

FLUXOS ENERGÈTICS. Refredant el PLANETA AMB TEULADES FRESQUES

Es mostren els fluxos radiants d’ona curta i ona llarga des de i cap a la superfície de la terra i l’atmosfera
Les teulades fresques poden refredar la regió i el planeta augmentant l’albedo (reflexió solar), com els pols nord i sud que estan coberts per gel, el que induiria un forçament radiatiu negatiu equivalent a la compensació del CO₂ emès
Incrementant mundialment la reflexió solar en teulades i paviments (voreres, calçades) en un 0.25 i 0.15 respectivament, induiria un balanç de radiació negatiu en la terra equivalent a compensar aproximadament 44 Gt d’emissions de CO₂, contrarestant l’equivalent a l’efecte del creixement en les taxes d’emissió de CO₂ durant 11 anys (Akbari, H., Menon, S. & Rosenfeld, A. 2009, ‘Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset CO₂.’, Climatic Change 94 (3): 275- 286)
Podem refredar més ràpid amb materials que irradien principalment en la longitud d’ona de la finestra atmosfèrica (8-14 µm)

$C:\D\1A.M 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\2020\HeatFlowsAtmUpd.jpg$

SIMULACIONS ENERGÈTIQUES AMB ENERGYPLUS

EnergyPlus és el programa més precís en simulacions energètiques en edificis, gestionat pel Departament d’Energia dels Estats Units
Es van realitzar centenars de simulacions energètiques amb teulades fresques utilitzant EnergyPlus per calcular els consums de calefacció i refrigeració per mantenir entre 20°C – 25°C l’habitatge i l’edifici d’oficines durant la seva ocupació. Es van analitzar les dades per mostrar les solucions més rendibles i la rendibilitat de les teulades fresques
Reduint la absortivitat solar l’estalvi en el sistema de refrigeració és més gran que la penalització en el sistema de calefacció (a Barcelona) utilitzant teulades fresques
Absortivitat solar de la teulada (0.2, 0.4, 0.6, 0.8). 0.2 seria una teulada fresca de color blanc i 0.8 una teulada estàndard de color marró
Transmitància tèrmica (U) de la teulada (sense aïllament: 1.86 per a habitatge i 1.74 per a oficina, i 0.67, 0.4, 0,33 W/m²·K). Requisit codi tècnic d’edificació (CTE) a Barcelona és 0.4, requisit més estricte de CTE és 0.33
Estudis científics en experiments van demostrar que els estalvis energètics proporcionats per les teulades fresques són més grans que els resultats en les simulacions energètiques pel fet que el software no considera les temperatures més baixes al voltant de l’edifici, l’estalvi energètic a causa de ventilacions i infiltracions d’aire amb temperatures més baixes, i que els sistemes de refrigeració treballen a major rendiment. A més els fitxers de clima no acostumen a estar actualitzats
Als Estats Units ciutats més fredes també regulen amb teulades fresques per mitigar l’illa de calor urbana i evitar consums de pic a l’estiu
Simulacions realitzades per a un habitatge i edifici d’oficines amb nivell baix d’estanquitat, i considerant un nivell òptim de qualitat d’aire a les oficines. Per a habitatges i oficines amb un millor nivell d’estanqueïtat i oficines amb recuperador de calor els beneficis d’usar teulades fresques són més grans

Habitatge Unifamiliar

Anàlisi de teulades fresques en un habitatge unifamiliar de 100 m² a Barcelona:

$C:\D\1A.M 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\2020\HouseNoRoof.jpg$

Absortivitat solar i transmitància tèrmica (U) de la teulada

Consums de calefacció, refrigeració i total en funció de la absortivitat solar de la teulada per a quatre valors de Transmitància tèrmica (U) de la teulada. 0.2 seria una teulada fresca de color blanc i 0.8 una teulada estàndard de color marró

$C:\Users\Jose\Documents\ZIMCR20\PLOT\Plots2\PlotCR20i6\CAT\ESP\Barcelona\H1\H1_HCT_Barcelona_ACH0.500.jpg$

Amb absortivitat solar 0.2, el consum de refrigeració augmenta al augmentar l’aïllament a la teulada

Diferència en la penalització en “Calefacció (kW·h/m²·any)” (número positiu), estalvis en “Refrigeració (kW·h/m²·any)” (número negatiu), “Total (kW·h/m²·any)“(penalització en calefacció menys estalvis en refrigeració) i “Refrigeració/Calefacció” (estalvis en refrigeració dividit entre penalització en calefacció) reduint la absortivitat solar en 0.1 (exemple de 0.8 a 0.7). Convé utilitzar una teulada fresca si “Total (kW·h/m²·any)” és un número negatiu i “Refrigeració/Calefacció” és més gran que 0

$C:\Users\Jose\Documents\ZIMCR20\PLOT\Plots2\PlotCR20i6\CAT\ESP\Barcelona\H1\H1_Tb_Barcelona_ACH0.500.jpg$

Reduint la absortivitat solar l’estalvi en el sistema de refrigeració és més gran que la penalització en el sistema de calefacció
S’obtenen més estalvis reduint la absortivitat solar en teulades amb menys aïllament, encara que la proporció entre els estalvis en refrigeració i penalització en calefacció és més gran en teulades més aïllades

Absortivitat solar, transmitància tèrmica (U) de la teulada i estanquitat de l’habitatge

$C:\Users\Jose\Documents\A 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Cool Roofs\SIM 20\1Python\EstanqBarceH_CAT.jpg$

Reduint la absortivitat solar s’obtenen, més estalvis i proporció entre els estalvis en refrigeració i penalització en calefacció, en habitatges amb millors nivell d’estanqueïtat. Un habitatge amb baix nivell d’estanqueïtat consumeix més energia en calefacció

Edifici d’Oficines

Anàlisi de teulades fresques en un edifici d’oficines a Barcelona de 2 plantes de 800 m² per planta:

$C:\D\1A.M 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\2020\Office2.jpg$

Absortivitat solar i transmitància tèrmica (U) de la teulada

$C:\Users\Jose\Documents\ZIMCR20\PLOT\Plots2\PlotCR20i6\CAT\ESP\Barcelona\O2\O2_HCT_Barcelona_ACH0.250.jpg$

Amb absortivitat solar 0.2, el consum total entre calefacció i refrigeració no disminueix al augmentar l’aïllament a la teulada

$C:\Users\Jose\Documents\ZIMCR20\PLOT\Plots2\PlotCR20i6\CAT\ESP\Barcelona\O2\O2_Tb_Barcelona_ACH0.250.jpg$

Reduint la absortivitat solar l’estalvi en el sistema de refrigeració és més gran que la penalització en el sistema de calefacció

EXPERIMENTS A SYDNEY AMB TEULADES FRESQUES

Es van monitoritzar dues estructures petites a l’exterior per comparar les diferències en les temperatures de la teulada i la temperatura en el seu interior
Construïdes amb fusta de 9 mm, aïllament de poliestirè rígid de 60 mm (Resistència tèrmica R 1,4 m²·K/W) en pis, sostre i parets
La teulada de color terracota té reflexió solar 0.24 i emitància tèrmica (emissivitat) 0.93
La teulada fresca té reflexió solar 0.72 i emitància tèrmica (emissivitat) 0.9

$C:\Users\Jose\Documents\A 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\UTSCoolRoofs.jpg$

La temperatura de la superfície de la teulada i la temperatura interior van ser 25 °C i 5 °C inferiors durant el dia, respectivament, en l’estructura amb la teulada fresca

$C:\Users\Jose\Documents\A 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\2020\SydneyCubbiesT.jpg$

FLUXOS D’ENERGIA A LA TEULADA

Fluxos energètics cap i a través d’un sostre aïllat:

Font: Gentle, A.R., Aguilar, J.L.C. & Smith, G.B. 2011, ‘Optimized cool roofs: Integrating albedo and thermal emittance with R-value.’, Elsevier. Solar Energy Materials & Solar Cells 95 (2011) 3207-3215