Isla de Calor Urbana y Tejados Frescos

ENFRIANDO EDIFICIOS, CIUDADES Y EL PLANETA CON TEJADOS FRESCOS

TEJADOS FRESCOS
ISLA DE CALOR URBANA
ISLA DE CALOR URBANA Y TEJADOS FRESCOS
FLUJOS ENERGÉTICOS. ENFRIANDO EL PLANETA CON TEJADOS FRESCOS
SIMULACIONES ENERGÉTICAS CON ENERGYPLUS
EXPERIMENTOS EN SYDNEY CON TEJADOS FRESCOS
FLUJOS DE ENERGÍA EN EL TECHO

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

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 20^oC – 25^oC 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

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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

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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