Isla de Calor Urbana y Tejados Frescos

ENFRIANDO EDIFICIOS, CIUDADES Y EL PLANETA CON TEJADOS FRESCOS

TEJADOS FRESCOS

  • Alta reflexión solar y alta emitancia térmica (emisividad)
  • Refleja la mayor parte de la energía solar incidente e irradia calor absorbido al cielo, especialmente de noche
  • Es de gran importancia en zonas cálidas y templadas
  • La reflexión solar y emitancia térmica (emisividad) de los materiales utilizados en edificios son parámetros importantes para la eficiencia energética en edificios

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

ISLA DE CALOR URBANA

  • Es un área metropolitana que es más cálida que sus áreas rurales circundantes
  • La causa principal es la modificación de la superficie del terreno mediante el desarrollo urbano utilizando materiales que retienen el calor, con la construcción de edificios y pavimentos
  • Especialmente en climas cálidos y templados, las islas de calor contribuyen al malestar humano (interior y exterior), mayores facturas de energía, pico de energía en verano, más infraestructura eléctrica, apagones en verano, más calentamiento global, un aumento de la contaminación del aire y problemas de salud
  • Las olas de calor recurrentes aumentan estos problemas

Imagen de perfil de la isla de calor urbana de Lawrence Berkeley Lab

ISLA DE CALOR URBANA Y TEJADOS FRESCOS

  • Se muestra la correlación positiva entre los tejados reflectantes blancos y temperaturas más frías
  • Se puede mitigar el efecto de la isla de calor urbana con tejados frescos que reflejan más la energía solar y absorben menos calor

C:\Users\Jose\Documents\A 260719\JOSE_180711\JOBS NEW\Web2018\Photos\2020\SydneyESP.jpg Fuente: (City of Sydney, 2009)

FLUJOS ENERGÉTICOS. ENFRIANDO EL PLANETA CON TEJADOS FRESCOS

  • Se muestran los flujos radiantes de onda corta y onda larga desde y hacia la superficie de la tierra y la atmósfera
  • Los tejados frescos pueden enfriar la región y el planeta aumentando el albedo (reflexión solar), como los polos norte y sur que están cubiertos por hielo, lo que induría un forzamiento radiativo negativo equivalente a la compensación del CO2 emitido
  • Incrementando mundialmente la reflexión solar en tejados y pavimentos (aceras, calzadas) en un 0.25 y 0.15 respectivamente, induciría un forzamiento radiativo negativo en la tierra equivalente a compensar aproximadamente 44 Gt de emisiones de CO2, contrarrestando el equivalente al efecto del crecimiento en las tasas de emisión de CO2 durante 11 años (Akbari, H., Menon, S. & Rosenfeld, A. 2009, ‘Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset CO2.’, Climatic Change 94 (3): 275–286)
  • Podemos enfriar más rápido con materiales que irradian principalmente en la longitud de onda de la ventana atmosférica (8-14 µm)

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SIMULACIONES ENERGÉTICAS CON ENERGYPLUS

  • EnergyPlus es el programa más preciso en simulaciones energéticas en edificios, gestionado por el Departamento de Energía de Estados Unidos
  • Se realizaron miles de simulaciones energéticas con tejados frescos usando EnergyPlus para calcular los consumos de calefacción y refrigeración para mantener entre 20oC – 25oC la vivienda y el edificio de oficinas durante su ocupación. Se analizaron los datos para mostrar las soluciones más rentables y la rentabilidad de los tejados frescos
  • Reduciendo la absortividad solar el ahorro en el sistema de refrigeración es mayor que la penalización en el sistema de calefacción (en Barcelona) usando tejados frescos
  • Absortividad solar del tejado (0.2, 0.4, 0.6, 0.8). 0.2 sería un tejado fresco de color blanco y 0.8 un tejado estándar de color marrón
  • Transmitancia térmica (U) del tejado (sin aislamiento: 1.86 para vivienda y 1.74 para oficina, y 0.67, 0.4, 0,33 W/m2·K). Requisito código técnico de edificación (CTE) en Barcelona es 0.4, requisito más estricto de CTE es 0.33
  • Estudios científicos en experimentos demostraron que los ahorros energéticos proporcionados por los tejados frescos son mayores que los resultados en las simulaciones energéticas debido a que el software no considera las temperaturas más bajas alrededor del edificio, el ahorro energético debido a ventilaciones e infiltraciones de aire con temperaturas más bajas, y que los sistemas de refrigeración trabajan a mayor rendimiento. Además los ficheros de clima no suelen estar actualizados
  • En Estados Unidos ciudades más frías también regulan con tejados frescos para mitigar la isla de calor urbana y evitar consumos de pico en verano
  • Simulaciones realizadas para una vivienda y edificio de oficinas con nivel bajo de estanqueidad, y considerando un nivel óptimo de calidad de aire en las oficinas. Para viviendas y oficinas con un mejor nivel de estanqueidad y oficinas con recuperador de calor los beneficios de usar tejados frescos son mayores

Vivienda Unifamiliar

  • Análisis de tejados frescos en una vivienda unifamiliar de 100 m2 en Barcelona:

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Absortividad solar y transmitancia térmica (U) del tejado

Consumos de calefacción, refrigeración y total en función de la absortividad solar del tejado para cuatro valores de Transmitancia térmica (U) del tejado. 0.2 sería un tejado fresco de color blanco y 0.8 un tejado estándar de color marrón

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Con absortividad solar 0.2, el consumo de refrigeración aumenta al aumentar el aislamiento en el tejado

Diferencia en la penalización en “Calefacción (kW·h/m2·año)” (número positivo), ahorros en “Refrigeración (kW·h/m2·año)” (número negativo), «Total (kW·h/m2·año)» (penalización en calefacción menos ahorros en refrigeración) y «Refrigeración/Calefacción» (ahorros en refrigeración dividido entre penalización en calefacción) reduciendo la absortividad solar en 0.1 (ejemplo de 0.8 a 0.7). Conviene utilizar un tejado fresco si «Total (kW·h/m2·año)» es un número negativo y «Refrigeración/Calefacción» es mayor que 0

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  • Reduciendo la absortividad solar el ahorro en el sistema de refrigeración es mayor que la penalización en el sistema de calefacción
  • Se obtienen mayores ahorros reduciendo la absortividad solar en tejados con menos aislamiento, aunque la proporción entre los ahorros en refrigeración y penalización en calefacción es mayor en tejados más aislados
Absortividad solar, transmitancia térmica (U) del tejado y estanqueidad de la vivienda

Diferencia en la penalización en “Calefacción (kW·h/m2·año)” (número positivo), ahorros en “Refrigeración (kW·h/m2·año)” (número negativo), «Total (kW·h/m2·año)» (penalización en calefacción menos ahorros en refrigeración) y «Refrigeración/Calefacción» (ahorros en refrigeración dividido entre penalización en calefacción) reduciendo la absortividad solar en 0.1 (ejemplo de 0.8 a 0.7), para cuatro niveles de estanqueidad

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  • Reduciendo la absortividad solar se obtienen, mayores ahorros y proporción entre los ahorros en refrigeración y penalización en calefacción, en viviendas con mejores nivel de estanqueidad. Una vivienda con bajo nivel de estanqueidad consume más energía en calefacción

Edificio de Oficinas

  • Análisis de tejados frescos en un edificio de oficinas en Barcelona de 2 plantas de 800 m2 por planta:

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Absortividad solar y transmitancia térmica (U) del tejado

Consumos de calefacción, refrigeración y total en función de la absortividad solar del tejado para cuatro valores de Transmitancia térmica (U) del tejado. 0.2 sería un tejado fresco de color blanco y 0.8 un tejado estándar de color marrón

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Con absortividad solar 0.2, el consumo total entre calefacción y refrigeración no disminuye al aumentar el aislamiento en el tejado

Diferencia en la penalización en “Calefacción (kW·h/m2·año)” (número positivo), ahorros en “Refrigeración (kW·h/m2·año)” (número negativo), «Total (kW·h/m2·año)» (penalización en calefacción menos ahorros en refrigeración) y «Refrigeración/Calefacción» (ahorros en refrigeración dividido entre penalización en calefacción) reduciendo la absortividad solar en 0.1 (ejemplo de 0.8 a 0.7). Conviene utilizar un tejado fresco si «Total (kW·h/m2·año)» es un número negativo y «Refrigeración/Calefacción» es mayor que 0

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  • Reduciendo la absortividad solar el ahorro en el sistema de refrigeración es mayor que la penalización en el sistema de calefacción

EXPERIMENTOS EN SYDNEY CON TEJADOS FRESCOS

  • Se monitorizaron dos estructuras pequeñas en el exterior para comparar las diferencias en las temperaturas del tejado y la temperatura en su interior
  • Construidas con madera de 9 mm, aislamiento de poliestireno rígido de 60 mm (Resistencia térmica R 1,4 m2·K/W) en piso, techo y paredes
  • El tejado de color terracota tiene reflexión solar 0.24 y emitancia térmica (emisividad) 0.93
  • El tejado fresco tiene reflexión solar 0.72 y emitancia térmica (emisividad) 0.9

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La temperatura de la superficie del tejado y la temperatura interior fueron 25 oC y 5 oC inferiores durante el día, respectivamente, en la estructura con el tejado fresco

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FLUJOS DE ENERGÍA EN EL TEJADO

  • Flujos energéticos hacia y a través de un techo aislado:

Fuente: 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

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