Aspectos de construcción del agua híbrida

Jul 25, 2023

Fecha: 13 de febrero de 2023

Autores: Matyas Gutai, Shwu-Ting Lee, Bumpei Magori, Yu Morishita, Abolfazl Ganji Kheybari y Joshua Spencer

Fuente:Revista de Diseño e Ingeniería de Fachadas, 8(2), 127–152.

DOI:https://doi.org/10.7480/jfde.2020.2.4784

Las envolventes de edificios llenas de agua son construcciones híbridas con un componente sólido y otro fluido, normalmente una carcasa de vidrio o acero llena de agua. El documento presenta los desafíos de desarrollar una estructura de fachada llena de agua y evalúa la posibilidad de utilizarla como un sistema de construcción viable a escala de edificio. El vidrio lleno de agua (WFG) se ha investigado en el pasado y se presentó como un elemento de ventana independiente de un edificio convencional, donde el ahorro de energía se logra mediante el uso de la absorción de la capa de agua para la gestión energética de la envolvente del edificio. Los resultados sugieren que la eficiencia de WFG podría mejorarse aún más si el sistema se ensambla como una envolvente de edificio unida en la que el fluido puede fluir entre los paneles y las partes del edificio. El artículo presenta dos edificios experimentales de 'casas de agua' con estos parámetros de diseño, diseñados y construidos por el autor. La importancia de estos edificios es que se construye por primera vez una envolvente llena de agua conectada. La discusión presenta dos métodos de construcción para fachadas llenas de agua, evalúa su viabilidad para diferentes climas, presenta los aspectos de diseño y construcción de la tecnología y ofrece una comparación con los métodos de construcción existentes.

La envolvente de un edificio fluido-sólido proporciona ahorros significativos tanto para la energía operativa como incorporada, al reducir la carga de enfriamiento, reutilizar el calor absorbido, equilibrar las diferencias térmicas entre las partes de la envolvente y el resto del edificio, al mismo tiempo que se crean elementos de construcción adicionales (p. ej., persianas externas) obsoleto.

Los materiales estructurales tienen un impacto significativo en la huella ecológica del entorno construido. Esto se aplica específicamente a las envolventes de edificios que juegan un papel principal en la eficiencia energética y el confort térmico en un edificio. En particular, las envolventes de los edificios con una alta relación ventana-pared (WWR) son un buen ejemplo, ya que las fachadas de vidrio utilizan materiales que consumen mucha energía (Adalberth, 1997) y aumentan la demanda de energía operativa (Gasparella, Pernigotto, Cappelletti, Romagnoni y Baggio, 2011). Las innovaciones en envolventes de vidrio tienen un gran potencial para lograr un cambio positivo en el impacto ambiental de los edificios, especialmente si pueden reducir tanto la energía incorporada como la operativa. Este es especialmente el caso donde se informa una evaluación del ciclo de vida (LCA) más alta para edificios de energía cero en comparación con construcciones de baja energía (Ramesh, Prakash y Shukla, 2010), que se debe principalmente al mayor componente de energía incorporada (es decir, energía fotovoltaica adicional). o paneles solares) de los primeros en comparación con los segundos. Esto implica que existe la necesidad de innovaciones que puedan mejorar el rendimiento energético sin aumentar la energía incorporada.

En cuanto a la gestión energética de las envolventes de los edificios, el estado actual de la investigación sobre ventanas ópticamente transparentes se puede dividir en cuatro grupos. La primera categoría aborda la ganancia solar (SHGC) con revestimiento, acristalamiento dinámico o activo. Las soluciones para esto incluyen revestimiento de baja emisividad (Cui y Mizutani, 2016), acristalamiento electrocrómico o EC (DeForest et al., 2015), acristalamiento de dispositivo de partículas suspendidas o SPD (Ghosh, Norton y Duffy, 2016) y cristal líquido disperso de polímero o PDLC (Hemaida, Ghosh, Sundaram y Mallick, 2020). La segunda categoría es mejorar la resistencia térmica (valor U) de la envolvente del edificio, como el acristalamiento de varias capas (Arici, Karabay y Kan, 2015). El tercer enfoque es reducir la demanda de refrigeración con sombreado (Tao, Jiang, Li y Zheng, 2020). Finalmente, la última solución es utilizar un medio fluido, es decir, una corriente de aire ventilado en el acristalamiento, que puede, por ejemplo, enfriar el propio vidrio utilizando aire exterior o utilizarse para precalentar el aire antes de que entre en el espacio interior (Ismail, Salinas , & Henríquez, 2009). Una alternativa al aire circulante es utilizar una "cámara de agua circulante", que tiene la ventaja de capturar la energía solar y convertir esa carga de energía potencial en una fuente de energía renovable (Chow, Li y Lin, 2010).

Desde que se introdujo el sistema de vidrio fluido (Gutai, 2010) y fue patentado por el autor (P 11 00 156, 2011; 6250530, 2012; EP2689192A2, 2012), la tecnología ha sido investigada por diferentes grupos de investigación. Entre estos, un desarrollo importante fue establecer una correlación entre la intensidad del flujo de agua bombeada en la cavidad y las características de la ventana (valor U y SHGC), lo que también demostró que estos valores se pueden adaptar a las condiciones externas (Sierra & Hernández, 2017). En términos de consumo de energía, se presentó una comparación de ventana estándar con WFG en Hong Kong (Chow, Li y Lin, 2011a). Se mostró un enfoque diferente para un caso de Madrid, donde WFG tenía una temperatura de agua estable para reducir la demanda de energía para calefacción y refrigeración (Gil-Lopez & Gimenez-Molina, 2013). Investigaciones adicionales incluyeron simulación energética para la demanda energética anual en climas húmedos (Li & Chow, 2011), análisis del impacto del ángulo solar (Chow, Li, & Lin, 2011b), evaluación de encabezados (Chow & Lyu, 2017) y desempeño en diferentes climas en China (Lyu, Chow y Wang, 2018).

Estos proyectos de investigación presentan la tecnología como una ventana colocada en la envolvente de un edificio convencional. Además de estos, el autor diseñó y construyó edificios experimentales titulados Water House 1.0 o WH01 (Gutai, 2015) y Water House 2.0 o WH02 ("Experimental - Future Projects - 2017 | World Architecture Festival", 2017), que exploran la potencial de envolventes de edificios conectados en los que se permite que el relleno de agua fluya entre los paneles y las partes del edificio. La importancia de este enfoque es el rendimiento térmico, energético y estructural mejorado que resultó del flujo de agua, como se presentó en el libro Trans-structures (Gutai , 2015). La estructura híbrida de WFG reduce el consumo de energía sin aumentar la energía incorporada, ya que el relleno de agua en sí tiene un bajo impacto ambiental en comparación con otros materiales de construcción. Los dos edificios también presentan dos métodos de construcción diferentes: Panel de estructura aislada (SIP) y marco + sistema de relleno Los resultados de estos desarrollos estructurales son el enfoque clave de este documento, ya que son esenciales para el desarrollo de un sistema de construcción integrado WFG que va más allá de las limitaciones de una sola ventana.

El artículo presenta un enfoque de investigación experimental para el problema del desarrollo de envolventes de edificios híbridos continuos llenos de agua a través del diseño y la construcción. Estos edificios se presentan en el Capítulo 3. Los desafíos estructurales específicos de esta tecnología se evalúan a través de las pruebas presentadas en los Capítulos 4 y 5.

La importancia de esta exploración es doble. En primer lugar, el desarrollo de la tecnología de ventana a envolvente continua mejora sus prestaciones: menor consumo energético (54 – 72 % de ahorro respecto al doble acristalamiento y 34 – 61 % respecto al triple acristalamiento) (Gutai & Kheybari, 2020), menor demanda energética debido a las diferencias de temperatura más pequeñas dentro del edificio (el flujo de agua difundiría las ganancias de energía dentro del edificio) (Gutai & Kheybari, 2021) y al confort térmico mejorado (el agua dentro de WFG se puede calentar/enfriar para una mejor temperatura radiante media /MRT/). En segundo lugar, las pruebas y análisis del sistema son importantes porque este tipo particular de envolvente fue construido por primera vez, lo que tuvo un impacto en el uso de materiales, fabricación, ensamblaje e integración de varias funciones (es decir, calefacción, refrigeración, absorción solar). , etc.) en un sistema constructivo. La novedad de WH01 y WH02 se muestra en la Tabla 1 y la Tabla 2, que presentan el desarrollo estructural y energético de los proyectos de envolvente llena de agua.

Las dos casas prototipo sirvieron como edificios experimentales para identificar, resolver y probar los aspectos críticos para la viabilidad de la tecnología WFG. La investigación identificó seis áreas críticas, que se exploraron a lo largo de cinco años de investigación. La Tabla 3 muestra estas áreas y las metodologías involucradas.

WFG se puede construir como una unidad de ventana individual o como un envolvente de edificio conectado. El primer tipo es básicamente una unidad de calefacción/refrigeración que absorbe calor, que se beneficia de la absorción de agua como se muestra en la Fig. 2. Esta solución se describe como "vidrio fluido" o "vidrio de agua" y funciona con una bomba y un sistema estable. fluir. El segundo tipo se denomina construcción de casa de agua, que se construye como un conjunto de paneles que están conectados entre sí, como se muestra en la Fig. 1 y la Fig. 3. Los paneles están conectados en un circuito cerrado, que normalmente está formado por dos superficies de paredes opuestas y piso + techo/panel de techo en el medio (como se muestra en la Fig. 3).

Ambas opciones absorben calor que se puede transportar a una unidad de almacenamiento térmico, como se muestra en la Fig. 3. Una bomba requiere menos energía que enfriar o calentar el espacio, lo que genera ahorros directos de energía. Además, la construcción de casas de agua puede distribuir energía dentro de la envolvente, lo que aumenta aún más los ahorros de energía mediante el intercambio de energía entre áreas sobrecalentadas y frías de un edificio (p. ej., fachada norte-sur, partes inferiores y superiores del edificio).

3.1 CASA DEL AGUA 1.0 PABELLÓN

La primera construcción de Water House se construyó en Kecskemet, Hungría. El pabellón constaba de 4 paneles de vidrio rellenos de agua (WFG) y 13 paneles de acero rellenos de agua (WFS), que se muestran en la Fig. 4. El panel WFS tenía un aislamiento de 20 cm y el WFG tenía una capa externa de argón. Se colocaron tuberías y cables en los espacios de mantenimiento entre los paneles de pared y el piso (que se muestra en la Fig. 20), para protegerlos del impacto del clima frío (Köppen-Geiger D - dominado por la calefacción). La absorción solar de agua se utilizó para reducir el consumo de energía para refrigeración y calefacción. Este enfoque fue validado en nuestra publicación anterior (Gutai & Kheybari, 2020) con un 61 % de ahorro en comparación con el doble acristalamiento. Esta preferencia optó por el uso de recubrimientos Low-E que maximizarían la cantidad de energía capturada. Las opciones eran tenerlo solo en la capa #2 o #3 o en ambas (#1, #4, #5 y #6 no eran viables). Ubicarlos en el n. ° 2 maximizó la absorción de ganancias tanto externas como internas, lo que presentó el mejor de los casos.

La energía absorbida fue bombeada a una unidad de almacenamiento térmico estacional. La absorción ocurrió en los paneles WFG y en el piso. La absorción ahorró energía y evitó el sobrecalentamiento, lo que probablemente se debió a la alta WWR (40 %), la orientación sur y el revestimiento de baja emisividad. Estas condiciones normalmente deberían evitarse, pero para la casa de agua se convirtieron en una ventaja porque aumentó la cantidad de energía capturada. Esto mostró el potencial y la viabilidad del sistema Water House para edificios acristalados.

El almacenamiento estacional del edificio era un tanque de agua. El tanque se dimensionó considerando la carga térmica de un período de una semana en verano y se colocó parcialmente bajo tierra para minimizar la pérdida de calor. El calor absorbido se almacenaba para su uso posterior durante la temporada de calefacción.

Como muestra la Fig. 4, el flujo de agua se diseñó en tres circuitos de agua de paneles conectados. Los paneles en diferentes bucles no estaban conectados. Cada bucle constaba de un techo, piso y dos paneles de pared (uno norte y otro sur). Las fachadas este y oeste incluían la puerta (sin agua) y paneles WFG/WFS que se enfriaban/calentaban individualmente con tuberías de suministro directo y retorno. El flujo de agua fue mejorado por una bomba ubicada en el pabellón que movía el fluido en los circuitos y entre la unidad de almacenamiento y el edificio cuando la temperatura interior estaba fuera de la zona de confort. Se operó una bomba de calor reversible para calefacción y refrigeración en caso de picos de carga. El dispositivo se colocó en el edificio y se instaló con la bomba (la unidad de refrigeración se colocó en el exterior).

Los paneles WFS estaban aislados del exterior, lo que limitaba su absorción solar. Estas superficies eran importantes para la regulación MRT (confort térmico). Las unidades WFS también completaron bucles y aumentaron el área de superficies térmicamente activas (Moe, 2010), lo que hizo que la calefacción/refrigeración fuera más efectiva.

La Fig. 5 muestra el edificio terminado y en construcción. Los paneles WFS se diseñaron como un sistema de panel de estructura aislada (SIP) que utiliza una capa externa (núcleo portante y aislamiento térmico) y una capa de agua hacia el interior. Esto fue necesario porque la conexión de los paneles de agua requería tuberías que debían permanecer accesibles después de la construcción. La colocación de estas conexiones de tubería hacia adentro permitió el acceso a su 'brecha de mantenimiento' y evitó que penetraran en la estructura portante. El edificio no tenía sombreado instalado para asegurar que no habría interferencia con los resultados en el rendimiento energético. (La investigación asumió que las aplicaciones reales usarían algún tipo de sombreado interno para evitar el deslumbramiento, lo que mejoraría aún más la absorción en la capa de agua).

3.2 CASA DEL AGUA 2.0 PABELLÓN

La segunda casa de agua se construyó en Taichung, Taiwán, para un clima tropical húmedo. Dado que la demanda de calefacción es mínima, los paneles WFG se construyen con doble acristalamiento y una capa de agua. Los paneles WFS no tienen aislamiento externo para maximizar la absorción solar. Esta fue una gran diferencia en comparación con WH01, porque toda la envolvente del edificio se podía utilizar para absorber la carga de calor externa. Además, un modelo de energía basado en la absorción también fue más efectivo para el clima, ya que la mayor carga de enfriamiento fue el resultado de la radiación, ya que la diferencia de temperatura entre la temperatura interior y la temperatura ambiente es relativamente baja (Qahtan et al., 2014).

La Fig. 6 muestra el sistema constructivo del edificio, que fue una estructura de acero + paneles de relleno. De manera similar a WH01, los paneles se conectaron en bucles. Dependiendo de la carga solar y la temperatura ambiente, el flujo de agua era automático o mejorado con una bomba. La figura 7 muestra la disposición de los bucles. Los bucles consistían en dos paredes (norte y sur) y paneles de piso + techo entre ellos.

Este enfriamiento basado en la absorción fue mejorado aún más por el diseño; el techo norte no tiene ganancia solar directa debido a su ángulo y la orientación del pabellón. Dado que la insolación en Taichung es relativamente alta en cualquier época del año, esta geometría apoyó el flujo de agua bombeado/automatizado entre los dos lados y proporcionó un efecto refrescante a medida que la pared/techo norte irradiaba calor hacia el exterior. El lado sur se diseñó con paneles de vidrio hacia el lago sin sombra (como se muestra en la Fig. 8), lo cual no es convencional para este clima. Se monitoreó la temperatura interior y la bomba mejoró el flujo de agua cuando se requería enfriamiento. El sistema mecánico equilibró el flujo con un amortiguador de expansión en el almacenamiento térmico.

La estructura del pabellón utilizó un sistema de muro cortina, que consistía en paneles WFG/WFS de 'marco y relleno' estructurales. El marco de acero estructural fue prefabricado y ensamblado en el sitio. Los paneles de relleno se instalaron después de completar el marco. Se fijó la fachada de vidrio y la ventilación natural se realizó a través de aberturas de ventilación debajo de los paneles de vidrio y en la parte superior (a través del techo).

Como muestra la Fig. 9, el método de construcción del muro cortina resultó ventajoso para el ensamblaje, ya que era más fácil establecer un espacio entre los paneles. Este fue un desafío para el método SIP porque los paneles WFG en WH01 tenían que colocarse en canales de acero, lo que resultó en un puente térmico porque el grosor del aislamiento estaba limitado dentro del espacio. En el caso del sistema de muro cortina, los paneles se unieron directamente a un marco de acero estructural y se podían colocar con más libertad. Esta solución también demostró ser más ideal en términos de cargas porque las capas estructural y de agua se superponían y los paneles podían sostenerse desde arriba y desde abajo, como se muestra en la Fig. 9.

4.1 DESAFÍOS ESTRUCTURALES

4.1.1 Reacción entre agua y vidrio

El mantenimiento de la transparencia es fundamental para el vidrio por sus características estéticas y térmicas. La corrosión y la contaminación del vidrio pueden ocurrir tanto en las superficies externas como internas de WFG, particularmente porque la cavidad interna no está sellada sino conectada a un sistema de agua.

La primera responsabilidad es la posible acumulación de contaminación en la superficie del vidrio. Esto podría ser causado internamente (a través del agua contaminada) o externamente (en la superficie de la envoltura). La primera es una preocupación más importante porque el panel no se puede limpiar desde el interior. Además, cualquier contaminación también tendría un efecto en el flujo de agua, ya que el espaciador y las válvulas son un objetivo potencial para la contaminación. Esto se aplica especialmente a las juntas inferiores y al área del espaciador donde la contaminación tiende a gravitar durante los períodos sin flujo de agua, lo que normalmente ocurriría durante los períodos sin ganancia solar y temperatura ambiente agradable. El relleno de agua debe aislarse y acondicionarse contra la contaminación física o biológica.

Otro posible problema es la corrosión del vidrio, que puede mejorarse en el entorno cerrado del panel. La corrosión acuosa estática ocurre normalmente durante el llenado de fluidos (es decir, la construcción) o la eliminación de fluidos (es decir, reparaciones, reemplazos parciales, caídas del sistema) debido al aumento de la humedad dentro del panel. Las superficies de vidrio internas están continuamente expuestas a la corrosión acuosa dinámica porque el vidrio está en contacto constante con el agua. La extracción alcalina y la formación de enlaces Si-O requieren niveles de pH superiores a 9,0, por lo que es esencial controlar el nivel de pH. (Douglas y El-Shamy, 1967; El-Shamy, Morsi, Taki-Eldin y Ahmed, 1975)

4.1.2 Contaminación del agua

La contaminación del agua es un aspecto importante de la estructura debido a la visibilidad y la sostenibilidad. Dado que los edificios de 'casas de agua' contienen una gran proporción de agua, es importante considerar un método de purificación que pueda evitar la contaminación del agua y funcione de manera eficiente desde el punto de vista material y energético porque la baja energía incorporada y la reciclabilidad son ventajas esenciales de la tecnología.

Los contaminantes más importantes son agentes causantes de enfermedades (es decir, virus, gusanos y bacterias), desechos que demandan oxígeno, contaminantes solubles en agua y nutrientes (que generan el crecimiento de algas y plantas). El almacenamiento de calor y las tuberías adicionales constituyen dificultades en el mantenimiento del agua.

4.1.3 Fuga de agua

La fuga de agua es una responsabilidad importante teniendo en cuenta la presión hidrostática del sistema, los detalles del cabezal con válvulas de unión y las válvulas de escape de aire.

La presión estática de los paneles resulta del peso y la presión del relleno de agua, que es proporcional a la altura y el ancho de los paneles. La presión adicional proviene de la operación (bomba de agua) y las cargas externas dinámicas (es decir, la presión del viento). La presión en los paneles juega un papel importante en la impermeabilización porque los materiales para la contención de agua no pueden soportar grandes expansiones. Por lo tanto, las fugas pueden deberse a la deformación del vidrio.

El segundo factor importante es el detalle de la cabecera y la unión entre las capas de vidrio. El material del cabezal debe ser capaz de soportar la presión del agua, debe resistir la corrosión y los efectos químicos, proporcionar una superficie estructural continua para la impermeabilización y debe incorporar las válvulas del panel sin comprometer la integridad del cerramiento. Las válvulas del sistema son un detalle importante por dos razones. El primer problema es la fabricación porque las técnicas de producción de vidrio existentes se desarrollan para bordes de paneles lineales y continuos. El segundo problema es la conexión de las válvulas. Los montantes y travesaños se mantienen en un tamaño mínimo para muros cortina y el espacio entre los paneles de vidrio suele ser de 10 a 40 mm. Este espacio limitado es un desafío importante para el montaje de paneles, especialmente considerando la impermeabilización y las juntas.

La tercera dificultad para la contención de agua es la posición y operación de las válvulas de escape de aire, ya que estas unidades deben colocarse en la parte superior del panel. Esto plantea un desafío porque las válvulas de liberación de aire deben estar operativas durante la construcción, ya que el llenado de agua es el último paso del ensamblaje. Otra dificultad podría ser la geometría de los planos de vidrio por la necesidad de evacuación del aire. La principal dificultad de estas válvulas es, sin embargo, su accesibilidad y su pequeño tamaño, lo que sugeriría un sistema de cierre mecánico en lugar de uno automático.

4.1.4 Presión de agua

Estimar la presión del agua para las estructuras de vidrio fluido es fundamental para una operación segura y transparente. La presión real en el panel de vidrio es una suma de cargas estáticas y dinámicas. El primero proviene de la presión hidrostática y el segundo de cargas externas (es decir, viento) o internas (es decir, bombas). La presión del agua cambia la carga del plano de vidrio porque trabaja contra la presión del viento y aumenta la succión del viento. Otro aspecto importante es el peso del agua. Teniendo en cuenta el equilibrio de la capacidad de absorción de calor y la presión hidrostática, el espesor ideal para la capa de agua es de 15 a 20 mm (Chow & Lyu, 2017). % de aumento para doble o triple acristalamiento, respectivamente. Este aumento juega un papel importante en la estabilidad del vidrio, ya que es ventajoso frente a fuerzas laterales a costa de aumentar las cargas verticales.

La presión hidrostática también es significativa en términos de visibilidad. La flexión máxima del vidrio debe mantenerse por debajo del 0,3% para evitar un impacto en la transparencia. Teniendo en cuenta la altura típica de las aplicaciones de muros cortina, esta es una advertencia importante. El diseño de WFG debe reflejar esta limitación determinando una proporción ideal de ancho y alto para los paneles o proponiendo geometrías que tengan anchos más bajos en áreas críticas para la misma altura.

4.1.5 Construcción

Aunque las ventanas y los muros cortina de WFG son similares a otros métodos de construcción de vidrio, existen algunas diferencias importantes, en particular el problema de la red de agua integrada y el proceso de ensamblaje, incluido el relleno de fluido.

El problema de los puentes de calor resulta de las válvulas de unión insertadas para la circulación del agua. Hay tres opciones para colocar las válvulas (que se muestran en la Fig. 10):

Teniendo en cuenta los posibles puentes térmicos, se tuvieron que considerar los siguientes aspectos:

En base a estos criterios, la primera es la opción más deseable. El factor de riesgo más importante es la congelación, que muy probablemente puede ocurrir cuando la red de agua está en el exterior. La segunda preocupación es la pérdida de energía de la red de tuberías, lo que nuevamente hace preferible la primera opción. La primera opción también tiene un mejor impacto estético. Por último, también es mejor para el flujo de agua ya que el fluido entra en el vaso de forma vertical. Sin embargo, esta solución tiene el costo de un valor U más alto, porque las juntas penetran en el marco.

El segundo factor es el tamaño de la red de agua integrada. Las propias tuberías pueden integrarse en la estructura (por ejemplo, en travesaños para llegar a las válvulas de unión). La dificultad es el espacio disponible para la unión, que se limita al tamaño de los elementos estructurales, normalmente de 40 a 80 mm.

El desafío final es la construcción y el mantenimiento, especialmente teniendo en cuenta las válvulas de unión integradas y resolviendo el proceso de relleno (incluida la liberación de aire suficiente durante el proceso).

4.1.6 Aislamiento, clima, energía y viabilidad

La capacidad de aislamiento de WFG y el número de capas de vidrio depende del clima, de forma similar a otras estructuras de vidrio: WH01 y WH02 utilizan capas triples o dobles de vidrio para climas continentales y cálidos y húmedos. Este es un enfoque lógico teniendo en cuenta que WFG tiene una amplia gama de valores U en comparación con el vidrio estándar, como se muestra en la Tabla 4 y la Tabla 5. Sin embargo, WFG también se utiliza como dispositivo de refrigeración y calefacción y su eficiencia se ve comprometida sin aislamiento externo. lo que hace que el WFG de triple capa sea ideal porque el aislamiento externo puede mantener el rendimiento de calefacción/refrigeración en interiores. La capa de agua interna también es preferible a una externa para la absorción (Sierra & Hernández, 2017). Finalmente, una tercera capa de vidrio puede mejorar el valor U para un mayor ahorro de energía. Nuestros cálculos sobre el valor económico de los ahorros de energía han demostrado que el sistema tiene ahorros de energía significativos que podrían llegar a US$3-13/m2a, lo que ofrece un retorno de la inversión (ROI) competitivo incluso para la opción de triple acristalamiento. especialmente para grandes edificios (Gutai & Kheybari, 2020). La tercera capa también es ideal debido a la tensión térmica en los paneles de vidrio, que puede ocurrir con la absorción de calor.

Además del aislamiento, los revestimientos, en particular los de baja emisividad, desempeñan un papel importante en el rendimiento de la WFG. Al igual que en el caso del aislamiento, el clima es un factor importante al considerar la posición y la cantidad de recubrimientos de baja emisividad. Como se presentó anteriormente para WH01, los climas con demanda de calefacción se benefician de Low-E ya sea en la superficie n.° 2 o n.° 3, lo que maximizaría la absorción tanto para el verano como para el invierno.

Finalmente, se debe considerar la preferencia por absorción o aislamiento para cada escenario climático. WFG tiene un amplio rango de valor U (U = 2,9 – 6,34). Las opciones más importantes se indican a continuación en la Tabla 4. Esto brinda la posibilidad de diseñar paneles WFG basados ​​en aislamiento o basados ​​en absorción. WFG se puede adaptar para climas específicos, lo cual es relevante porque en climas tropicales la absorción tiene un impacto más fuerte en el consumo de energía que el aislamiento (Bui et al., 2017).

4.2 POSIBLES SOLUCIONES Y MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN PARA ENVOLVENTES DE EDIFICACIÓN DE PANELES DE AGUA

4.2.1 Revestimiento de vidrio y acondicionamiento de agua

Las pruebas de prototipos y los edificios han demostrado que el riesgo de contaminación y corrosión se puede abordar de manera efectiva mediante el control del estado químico del agua. El agua tenía que mantenerse en un circuito cerrado para mantener un estado de agua estable. La forma más fácil de lograr esto fue establecer un circuito cerrado de paneles conectados con un mínimo de tuberías de agua que se conecta al resto del sistema mecánico a través de un intercambiador de calor. Además del intercambiador de calor, el circuito cerrado requiere una bomba para flujo inducido y un filtro para capturar cualquier contaminación potencial en el fluido. En el caso de las casas de agua que se presentan aquí, estas se colocaron entre la bomba y los paneles, idealmente justo antes de la válvula de entrada de agua.

La corrosión y degradación del vidrio suele ser un proceso lento y, aunque L. Robinet estableció que el proceso de descomposición podría ocurrir relativamente rápido debido a la influencia de los contaminantes (décadas), todavía es un período de tiempo largo para considerarlo como motivo de preocupación. El período determinado también es mayor que la vida útil de las fachadas de vidrio (Robinet, Coupry, Eremin y Hall, 2006). Sin embargo, la formación de una película de sílice es mucho más rápida y es un tema más importante debido a su impacto en la transparencia. Hay varias formas de evitar o retardar el proceso. El uso de vidrio hidrolítico (Tipo I.) con alta resistencia al agua (por ejemplo, vidrio de borosilicato) puede reducir el riesgo de exposición a la intemperie. Los revestimientos añadidos a la superficie del vidrio también podrían ofrecer suficiente protección, como el sol-gel desarrollado por K. Kamitani (Kamitani & Teranishi, 2003) o el revestimiento de vidrio repelente al agua de A. Matsuda (Matsuda, Matsuno, Katayama, & Tsuno, 1989)

Además, las propiedades físicas y químicas del agua pueden afectar la corrosión del agua. RB Ellestad y II Ostroushko establecieron la relación entre la temperatura y la corrosión del vidrio (US 2 516 109, 1950; Ostroushko, Filipova e Ignateva, 1962). RW Douglas asumió que la tasa de corrosión es independiente del pH de 1 a 9,8 (Douglas & El-Shamy, 1967) y El-Shamy señaló que una mayor tasa de pH aumenta la tasa de liberación de SiO2 (El-Shamy et al., 1975) . Sanders et al. presentó un perfil de modelo para la corrosión para comparar diferentes tipos de vidrios binarios y discutió los efectos de la temperatura de corrosión en la acumulación de gel superficial (Sanders & Hench, 1973). Finalmente, A. Tournié et al. desafiaron la "acumulación de gel" durante la corrosión y señalaron el efecto de los ataques de bases y ácidos con NaOH en ebullición caracterizados como disolución sin modificaciones estructurales (Tournié, Ricciardi, & Colomban, 2008). Según la investigación realizada, se puede establecer que la corrosión del vidrio se puede evitar de manera efectiva si el agua se mantiene a una temperatura (ambiental) y un nivel de pH ideales (por debajo de 9,8) para minimizar la exposición a la intemperie y la contaminación. Esta estrategia también funcionó de manera efectiva para WH01 y WH02.

4.2.2 Contaminación del agua

La contaminación del agua es un aspecto importante por su impacto estético y la potencial obstrucción de las tuberías. El espesor de la capa de agua en WFG está entre 15 - 20 mm, lo que limita la válvula de unión y hace que la contaminación sea un factor importante. Dado que el agua se encuentra en un circuito cerrado, los principales factores de contaminación son la contaminación biológica y los contaminantes no solubles. Este último puede abordarse de manera efectiva mediante un mecanismo de filtrado que se coloca entre el panel y la bomba. Dependiendo de la carga de calor, los paneles WFG funcionan utilizando flujo inducido o automático. El flujo automático es mucho más lento y puede ser bloqueado por el propio filtro, lo que significa que el filtro y la bomba deben instalarse en paralelo al circuito cerrado como una ruta alternativa que solo está activa cuando la bomba está encendida, como se muestra en Fig. 11. Debido a la necesidad de filtrado, la bomba debe encenderse regularmente, incluso si la carga de calor no lo requiere.

La solución más efectiva para la contaminación biológica es el filtrado UV porque no presenta efectos adversos en las tuberías de agua, el vidrio o la impermeabilización. La luz ultravioleta es eficaz contra todos los patógenos transmitidos por el agua: virus y bacterias, especialmente Legionella (Hijnen, Beerendonk y Medema, 2006). Z. Liu también destacó la importancia del filtro, que idealmente debería estar ubicado cerca de la fuente de agua inmediata (Liu et al., 1995). Esto sugiere un sistema de filtro disperso en lugar de uno central (es decir, en un tanque de agua), como fue el caso de los proyectos de Water House.

4.2.3 Impermeabilización y espaciador

La presión de agua constante en el panel requeriría una solución de doble sellado para el panel, que es predominante para el vidrio aislado. La ventaja de esta solución es que puede adaptarse a las técnicas de fabricación actuales y puede manejar la presión de manera más efectiva porque los selladores primarios tienen una baja capacidad de expansión. El material y la técnica utilizados para el sellador primario también dependen del espaciador.

Los espaciadores para la capa de agua pueden ser tubos o marcos. El primero tiene la ventaja de ser fácil de doblar, cortar o enchavetar en las esquinas, lo cual es importante para contener el agua donde es esencial una superficie estructural continua. Sin embargo, los marcos tienen la ventaja de proporcionar una superficie plana y estable para la impermeabilización, que es más importante para el vidrio fluido considerando la presión del agua involucrada. Los espaciadores pueden ser de acero o aluminio. Los proyectos de estudio de caso presentados aquí están hechos de este último, ya que las juntas de vidrio y aluminio son estándar en la industria y el material tiene la ventaja adicional de resistir la corrosión.

El sellador secundario es fundamental para la integridad del techo de cristal. Su función principal es evitar la entrada de humedad en la estructura. Para paneles de vidrio fluido, el sellador secundario también debe tener la capacidad de soportar el sellador primario contra la deformación del vidrio. Esto requiere un espesor mayor de lo habitual, lo que significa que tanto los sellos primarios como los secundarios están expuestos a la luz solar. Esto tiene impactos tanto estéticos como estructurales porque los sellos pueden volverse visibles y expuestos a la radiación ultravioleta.

4.2.4 Espesor del vidrio

La determinación de cargas laterales constantes y dinámicas sobre la envolvente de vidrio es fundamental para calcular el espesor de vidrio de la estructura. La investigación utilizó dos conjuntos de pruebas para determinar dos variables: el impacto de la presión hidrostática (impacto de la altura) y el espesor del agua (impacto del volumen de agua).

La presión del agua se simuló con un modelo de carga utilizando el peso del agua como una carga uniforme, asumiendo una presión uniforme en el panel. Este modelo fue simulado en el software Glastik, usando una carga de viento específica que era igual a la presión del agua. Los resultados son visibles en los gráficos. 13 - 14. La simulación se validó con las pruebas de prototipo que se muestran en la Fig. 12. Se probaron vidrios laminados con espesores de 8, 10 y 12 mm. Los paneles utilizados para WH02 fueron de 820 x 1800 mm. La deformación fue de unos 6 mm, como se muestra en la Fig. 13. Esto fue aceptable tanto en términos de estructura como de visibilidad (máx. 0,3 %).

El segundo conjunto de pruebas de laboratorio se realizó para determinar el impacto del espesor del agua. WFG se colocó horizontalmente contra la carga vertical en el medio del plano de vidrio como se muestra en la Fig. 15. Esta instalación tenía la ventaja de eliminar la presión del agua como variable. Se probaron dos prototipos, con y sin agua. Los paneles tenían diferentes espesores de agua como se muestra en la Tabla 5. Los resultados se muestran en la Fig. 15, que indican una deflexión más baja para el plano exterior en un estado lleno, pero una deflexión más alta en el lado interno del panel. Esto sugiere que la carga se distribuye mejor en WFG por el relleno de fluido. En general, la tasa de deflexión no mostró un aumento significativo en el estado lleno, lo que sugiere que ni la presión del agua ni el espesor del relleno comprometerían críticamente la viabilidad de WFG. La tasa de deflexión de carga es mucho mayor para BG debido a su mayor tamaño y espesor del agua, lo que aumenta la sección y la resistencia del espaciador.

4.2.5 Construcción: marco, detalles, relleno, liberación de aire

El primer desafío de la construcción es el detalle de los paneles de fluidos porque las tuberías de agua y las válvulas de unión deben estar incrustadas dentro de la estructura del muro cortina. Hay dos tipos de red de tuberías: una para caudal automático y otra para bomba. Este último dispone de tuberías de ida y retorno que se conectan a cada bucle por separado. Estas tuberías se pueden colocar en montantes y travesaños o simplemente debajo o encima del panel en un espacio como se muestra en la Fig. 1 y la Fig. 20. Este enfoque se utilizó para los dos proyectos de casas de agua para los paneles WFG. En el caso de WFS, el detalle fue diferente para responder a los requisitos específicos de clima y aislamiento de Hungría y Taiwán. Para WH01, los paneles se construyeron como un sistema SIP y la capa de agua se adjuntó al núcleo estructural. En el caso de WH02, los paneles opacos no necesitaban aislamiento y los paneles de acero al agua tenían un grosor similar al de las unidades de vidrio. La estructura de carga era un marco de acero, que se colocó entre las unidades de panel como se muestra en las Figs. 18 y 19.

Como se muestra en las secciones (Fig. 19), desde una perspectiva estructural, la solución de marco + relleno es más ideal ya que las cargas se mantuvieron a lo largo del eje central del marco estructural y los espacios de mantenimiento entre los paneles se pudieron lograr fácilmente. En el caso de WH01, esto no fue posible porque el aislamiento era una prioridad y la capa de agua se adjuntó en el lado interior de los paneles de carga como una capa adicional. Esta solución no era la ideal desde el punto de vista estructural, pero era necesaria para el aislamiento adecuado del espacio de mantenimiento que proporcionaba acceso a las juntas flexibles entre los paneles y la tubería de distribución que conecta cada bucle con el sistema mecánico principal. Estos espacios son visibles entre los paneles de la Fig. 1 (abajo) y la Fig. 20 (arriba).

Las secciones de la Fig. 19 y el detalle de la Fig. 1 también muestran que el método estructural SIP tiene un mejor aislamiento térmico porque el espaciador de acero que establece el espacio entre los paneles se puede aislar tanto por dentro como por fuera, lo que hace que las opciones SIP sean método de construcción más efectivo para WFG en climas dominados por la calefacción.

El segundo desafío de la construcción es el proceso de relleno y la liberación de aire de los paneles. La solución para esto nuevamente depende de la posición de la estructura de soporte porque el relleno fluido se produce cuando la estructura ya está ensamblada. En el caso de una construcción de muro cortina típica, los travesaños y montantes se colocan detrás de la superficie de vidrio, lo que significa que solo se puede acceder a la válvula de escape de aire desde el exterior. En el caso de la opción SIP, las válvulas se pueden orientar tanto hacia el interior como hacia el exterior, ya que existe un desnivel entre el vidrio y el techo/techo. Idealmente, la segunda opción es preferible, como se muestra en la Fig. 20.

4.2.6 Energía y Clima

Determinar la viabilidad económica de una estructura de vidrio fluido es esencial, especialmente considerando diferentes climas. Con base en el monitoreo de WH01 y WH02 y las pruebas de prototipos, los autores realizaron una simulación global para fachadas WFG para 13 ciudades en todas las regiones climáticas de Köppen-Geiger (Gutai & Kheybari, 2020). La investigación concluyó que el sistema es viable en todas las regiones climáticas excepto en el clima polar. La investigación evaluó cada clima considerando si se debe priorizar la absorción o el aislamiento, ya que esto depende tanto de la temperatura como de la radiación. La investigación dividió las ciudades en cuatro grupos climáticos según el modelo energético utilizado: basado en absorción, intermedio, híbrido y basado en aislamiento. El primer caso es cuando el ahorro de energía se basa únicamente en la absorción (casi ninguna demanda de calefacción).

La segunda es cuando hay demanda de calefacción y la pérdida del valor U aumenta el consumo de energía para calefacción, pero la absorción mejorada aún produce más ahorros de energía en general. La tercera es cuando el balance de energía solo es positivo cuando la ganancia solar se almacena y se reutiliza durante el período de calefacción. El cuarto grupo son regiones basadas en aislamiento que son áreas dominadas por calefacción. La simulación presentó dos resultados importantes: 1) WFG es viable tanto en condiciones frías como calientes y; 2) el rendimiento energético de los edificios de vidrio se puede aumentar simplemente mejorando la absorción, incluso si ocurre a costa de un valor U más alto. Los ahorros de energía oscilaron entre el 54 y el 72 % en comparación con el doble acristalamiento y entre el 34 y el 61 % en comparación con el triple acristalamiento, según el clima, como se muestra en la Fig. 22.

Como sistema de construcción desarrollado, WH01 y WH02 informaron el modelo de simulación en términos de diseño estructural y probaron el sistema mecánico. En el caso de WH01, el edificio utilizó almacenamiento térmico y una bomba de calor reversible para calentar o enfriar el agua localmente y mantener la temperatura del agua en un nivel de comodidad. La Fig. 21 muestra el WH02, que tenía el mismo sistema pero se usaba principalmente para refrigeración.

En relación con el consumo de energía y el clima, cabe señalar que el efecto del aislamiento externo (un tercer panel de vidrio y una capa de argón) depende de si el agua se enfría/calienta o solo se usa para absorción. En el caso de este último, 2 capas de vidrio con agua pueden ser suficientes. Este tipo de vaso de agua ha sido analizado por proyectos de investigación anteriores y se utilizó para WH02. La razón principal detrás de esta solución fue que el edificio no necesita calefacción durante la mayor parte del año debido al clima de la ciudad de Taichung.

Sin embargo, cuando se requiere calefacción, el aislamiento externo es ideal. Este fue el caso de WH01. Esto mejoró el balance energético de la envolvente y protegió en cierta medida el relleno de agua de la congelación, al mantener la temperatura interior por encima de la exterior debido a su capacidad aislante.

Surgió un problema similar con el diseño del revestimiento de vidrio. En el caso de climas con carga térmica predominante, una capa Low-E puede aumentar la absorción de la capa de agua. Esto se probó con WH01 y también justificó el uso de un segundo panel de vidrio, que también actuó como protección para el revestimiento externo.

Las propiedades del WFG y el vidrio estándar utilizado como caso base en la simulación se muestran en la Tabla 5. En general, el sistema mostró ahorros de energía significativos en cualquier región climática habitada (todos los climas excepto el polar), como se muestra en la Fig. 22.

Los edificios experimentales presentaron que un sistema de construcción de 'casa de agua' es una solución viable y los posibles problemas de la construcción de la envolvente WFG se pueden abordar de manera efectiva de la siguiente manera:

Los dos edificios exploraron diferentes opciones de ensamblaje: WH01 utilizó un panel aislado estructural (SIP) y WH02 usó un método de marco + panel de relleno. Después de la construcción, se analizó su desempeño y se pueden extraer las siguientes conclusiones:

Ambas opciones de construcción tienen méritos y podrían implementarse en cualquier lugar, sin embargo, SIP tiene más ventajas en climas más fríos y marco + relleno para climas cálidos debido a sus ventajas/desventajas en el aislamiento.

Impacto de WFG en la construcción

La tecnología WFG se presenta aquí con dos edificios que son los primeros ejemplos de envolventes de edificios de agua conectada. La diferencia más importante entre la envolvente híbrida y las estructuras sólidas es que la energía puede capturarse y distribuirse dentro de la envolvente entre partes del edificio con diferentes exposiciones (es decir, fachadas norte y sur o plantas inferiores y superiores). Este potencial es una característica especial de este método de ensamblaje (denominado construcción de 'casa de agua'), que distingue a WH01 y WH02 de edificios sólidos u otras investigaciones de vidrio de agua que se enfocan en una sola ventana. La importancia de la construcción de casas de agua es:

Sugerencias para futuras investigaciones:

Hay varias preguntas de investigación importantes sugeridas por los hallazgos actuales. Los resultados del monitoreo del circuito de agua cerrado en las casas de agua sugieren que el flujo de agua autónomo puede desempeñar un papel más importante en el confort térmico y el ahorro de energía de los proyectos de casas de agua. Esto fue probado con WH02. Esto debe ser determinado por futuros esfuerzos de investigación. Existe la necesidad de una mayor investigación en diferentes opciones para revestimientos y paneles de vidrio a nivel mundial con simulación de energía; especialmente en términos de escala, WWR y clima ayudaría a construir escenarios de operación efectivos para las casas de agua, dependiendo de la función y la ubicación del edificio.

Este proyecto de investigación fue una colaboración de Loughborough, Tokio, y la Universidad Feng Chia y fue apoyado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST ID 106-2218-E-035-003). Los autores agradecen el continuo apoyo de las empresas involucradas en el proceso de construcción: Jüllich Glas en Hungría y Hesung Ltd en Taiwán por su generoso y continuo apoyo.

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