WO2020102920A1

WO2020102920A1 - Método para construcción de sistema de protección solar para fachadas de edificios

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Publication number: WO2020102920A1
Application number: PCT/CL2018/050113
Authority: WO
Inventors: Claudio Marcelo VÁSQUEZ ZALDÍVAR; Renato Rodolfo D’ALENCON CASTRILLÓN; Maria MOLINOS SENANTE; Juan Eduardo OJEDA VALENZUELA; Pedro Pablo DE LA BARRA LUEGMAYER; Gracián FIGUEROA SEPÚLVEDA
Original assignee: Pontificia Universidad Católica De Chile
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-05-28

Abstract

La presente invención se relaciona con un método para producir un sistema de protección solar en fachada de edificio que comprende las siguientes etapas, en un primer periodo de modelamiento (100) a) definir y parametrizar un sistema de fachada con una geometría inicial para al menos un elemento de protección solar con variable modificables y luego generar una variedad de geometrías para dicho elemento; b) modelar dicha variedad de geometrías dispuestas entre un espacio interior y el exterior, y calcular un parámetro de desempeño de cada geometría en el modelo producido c) ordenar estadísticamente en una base de datos dicha variedad de geometrías; en un segundo periodo de laboratorio (200): d) generar prototipos a escala de dicho conjunto seleccionado de dicha variedad de geometrías de elemento de protección solar; e) medir el parámetro de desempeño de los prototipos mediante un laboratorio de recolección de datos y observación; en un tercer periodo de calibración y análisis (300): f) reemplazar al menos el parámetro de desempeño antes calculado de dicha variedad de geometrías mediante el modelamiento numérico de la etapa b) en dicha base de datos con el parámetro medido en dicho laboratorio de la etapa e) y calibrar el modelo para obtener dicho parámetro medido al calcular el parámetro de desempeño en dicho modelo calibrado; g) ordenar nuevamente dicha variedad de geometrías con el parámetro de desempeño calculado en dicho modelo calibrado; h) seleccionar un nuevo conjunto de dicha variedad de geometrías con dicho nuevo ordenamiento; y en un cuarto periodo de producción (400): i) seleccionar un elemento de protección solar de dicho nuevo conjunto ordenado y configurar dicho sistema de protección solar con dicho al menos un elemento de protección solar; y j) producir dicho sistema de protección solar configurado.

Description

MÉTODO PARA CONSTRUCCIÓN DE SISTEMA DE PROTECCIÓN SOLAR PARA

FACHADAS DE EDIFICIOS

MEMORIA DESCRIPTIVA

CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se relaciona con la industria de la construcción, en particular con el diseño, la fabricación y construcción de protecciones solares para fachadas de edificios. Así, la presente invención se relaciona con las herramientas de los profesionales en el diseño de soluciones de protecciones solares para fachada eficientes en etapas tempranas de proyecto de arquitectura y en el desarrollo de soluciones para problemas de interés público como, por ejemplo oficinas, salas de clases, habitaciones de hospital, etc.

ANTECEDENTES

En la actualidad, se conoce el diseño en la construcción de edificios mediante modelos computaci onales como, por ejemplo, el método de diseño para edificios divulgado en el documento de patente US2013/097949A1 que permite una construcción ecológica, minimizando la pérdida de materiales. El método permite determinar posiciones apropiadas para ventanas, puertas, balcones, entradas o similares considerando la iluminación interior y la ventilación del espacio, al definir márgenes superiores e inferiores en miembros exteriores del edificio y minimizando los costos, dado el uso de paneles como miembros exteriores.

También se conoce el documento de patente US6438922B1 que divulga un método de diseño para un sistema modular de construcción a partir de una estructura original provista en documentos de construcción, tales como planos en papel que son escaneados o modelos digitales CAD. El método permite analizar e identificar discrepancias dimensionales o de dibujo y conflictos con normas de construcción. También, el método permite la construcción de diseños de estructuras originales a partir de módulos disponibles.

También es sabida la relevancia que tiene el diseño arquitectónico en el desempeño de los edificios, especialmente en las primeras etapas de diseño, cuando se toman las decisiones más generales respecto a la forma a construir, como su tamaño, orientación o tipo de fachada.

Por otra parte, la evaluación del desempeño de sistemas de fachadas a través de modelos computacionales es un método frecuente en el desarrollo de proyectos arquitectónicos con fachadas de cierta complejidad. Por ejemplo, mediante la suite de programas Radiance® usada para evaluar el diseño de la iluminación resultante del sistema de fachada y el software Energy Plus y los múltiples paquetes de software basados en éste, como Design Builder®, es posible evaluar su desempeño energético. Sin embargo, estos programas computacionales requieren información que la mayoría de las veces se incorpora en base a supuestos reductivos, tales como para las propiedades de los materiales, la ocupación del espacio, el sistema de climatización, etc., propios de la modelación digital y se realizan en etapas tardías del diseño. Por otra parte, pocas veces se realizan ensayos de laboratorio y cuando esto ocurre, se estudian aspectos parciales como las propiedades de los materiales, las infiltraciones, la resistencia al viento o los aspectos constructivos para la fabricación.

En efecto, existe un déficit de información y de confiabilidad en el proceso de diseño de fachadas complejas, cuya evaluación en la práctica industrial y profesional está básicamente limitada a la experiencia de los profesionales que intervienen en el diseño y fabricación, pero que no cuentan con un método fiable y capaz de predecir de manera integrada los problemas que enfrentan en este tipo de diseños, dando cuenta de su complejidad, en cuanto a la variabilidad de las condiciones que enfrenta y a la multiplicidad de parámetros de evaluación necesarios a considerar. Por una parte, los catálogos de la industria proveedora de materiales, componentes y sistemas constructivos son de índole general y difíciles de aplicar a las especificidades de cada proyecto. Por otra parte, los modelos digitales están diseñados para abordar parámetros o aspectos específicos del edificio (térmico, acústico, mecánico, etc.) y no permiten integrarlos. Además, los ensayos están limitados al estudio académico o al cumplimiento específico de normas y finalmente los prototipos industriales suelen servir para ensayos productivo- constructivos sin considerar el desempeño de las soluciones en la obra una vez construidas y en uso.

PROBLEMA TÉCNICO

Es necesario un método de construcción de sistema de protección solar para fachada que, en una fase temprana de su diseño arquitectónico, permita mejorar las predicciones del desempeño energético, térmico, visual y lumínico de fachadas y sus sistemas de protección solar en edificios, con una mejor precisión y evaluación.

SOLUCIÓN TÉCNICA

La presente invención se basa en la caracterización del desempeño solar, térmico, visual y lumínico de sistemas y soluciones de protecciones solares de fachada de edificios.

La presente invención provee un método orientado al diseño, la fabricación y la construcción de un sistema de protección solar para una fachada de edificio, incluyendo una etapa de prototipado a escala que permite ajustar y precisar la parametrización y los atributos físicos en un análisis digital, y utilizar un ordenamiento estadístico de un conjunto de soluciones propuestas.

La presente invención plantea establecer cuáles son las cualidades geométricas y de materiales que los componentes de un sistema de protección solar deben poseer para obtener un buen desempeño en cuanto a transmisión lumínica y de radiación solar según las condiciones meteorológicas y climáticas locales y que permiten controlar la radiación solar, la iluminación natural y la visibilidad de forma indistinta e inteligente.

La presente invención provee un sistema de protección solar para fachada que cuenta con elementos de protección solar fijos y/o móviles para aplicar en edificios considerando las condiciones particulares de cada punto de la fachada, mediante un método desarrollado específicamente para dar respuesta a la gran variabilidad en geometría y movimientos posibles de estos elementos, el método de la presente invención es capaz de iterar rápidamente una gran cantidad de datos y adaptar los elementos de protección solar mediante ensayos y de acuerdo a la variabilidad de los elementos estudiados.

VENTAJAS DE LA PRESENTE INVENCIÓN

La presente invención tiene por objetivo proveer un método de construcción de un sistema de protección solar para fachada, también llamado Fachada Variable (FV), para responder a las condiciones interiores y exteriores, como parte de la envolvente de un edificio. Así, el desarrollo de una FV consiste en determinar la solución idónea para responder a los requerimientos funcionales del espacio interior a partir de las condiciones exteriores del emplazamiento del edificio, tales como el clima, obstrucciones, la orientación, etc.

La presente invención permite una estimación fiable del desempeño de sistemas de fachada con múltiples iteraciones y de bajo costo.

Así, la presente invención permite optimizar los procesos de construcción para los productores de sistemas de fachadas, elementos y componentes de sistemas de protección solar en fachadas, al ajustar los requerimientos de estos productos a las condiciones de uso a través de ensayos que complementan las modelaciones en etapas temprana de diseño. También, la presente invención permite tomar mejores opciones de diseño y especificaciones técnicas al resolver los problemas de casos particulares, ahorrando costos de inversión al obtener soluciones optimizadas.

Además, la presente invención ofrece soluciones de diseño de estos sistemas de protección solar en fachadas de edificio que permiten mejores prestaciones, mayor confort, menor consumo energético, menor gasto y tiempo de mantenimiento en los espacios habitados.

En efecto, la presente invención permite:

un rápido ciclo de iteración en el diseño gracias al uso de prototipos a escala, lo que facilita la corrección de alternativas sin grandes costos o gastos de tiempo;

la integración de variables (radiación solar, iluminación y visibilidad) al poder desarrollar mediciones simultáneas de soluciones alternativas o de una misma solución testeada bajo varios parámetros; y

la captación y manejo de datos para: acumular información, evaluar la fachada y controlar la respuesta del sistema de fachada a las condiciones cambiantes del clima y el medio.

RESUMEN

La presente invención se relaciona con un método para producir un sistema de protección solar en fachada de edificio que comprende las siguientes etapas, en un primer periodo de modelamiento (100) a) definir y parametrizar un sistema de fachada con una geometría inicial para al menos un elemento de protección solar de dicho sistema de fachada con variable modificables y luego generar una variedad de geometrías para dicho elemento; b) modelar dicha variedad de geometrías dispuestas entre un espacio interior y el exterior, y calcular un parámetro de desempeño de cada geometría en el modelo producido c) ordenar estadísticamente en una base de datos dicha variedad de geometrías; en un segundo periodo de laboratorio (200): d) generar prototipos a escala de dicho conjunto seleccionado de dicha variedad de geometrías de elemento de protección solar; e) medir el parámetro de desempeño de los prototipos mediante un laboratorio de recolección de datos y observación; en un tercer periodo de calibración y análisis (300): f) reemplazar al menos el parámetro de desempeño antes calculado de dicha variedad de geometrías mediante el modelamiento numérico de la etapa b) en dicha base de datos con el parámetro medido en dicho laboratorio de la etapa e) y calibrar el modelo para obtener dicho parámetro medido al calcular el parámetro de desempeño en dicho modelo calibrado; g) ordenar nuevamente dicha variedad de geometrías con el parámetro de desempeño calculado en dicho modelo calibrado; h) seleccionar un nuevo conjunto de dicha variedad de geometrías con dicho nuevo ordenamiento; y en un cuarto periodo de producción (400): i) seleccionar un elemento de protección solar de dicho nuevo conjunto ordenado y configurar dicho sistema de protección solar con dicho al menos un elemento de protección solar; y j) producir dicho sistema de protección solar configurado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 ilustra un diagrama de flujo de las etapas del método de acuerdo a la presente invención.

La figura 2a a 2c ilustran un conjunto de una variedad de geometrías de elemento de protección solar de acuerdo al método de la presente invención.

La figura 3a a 3c ilustran otro conjunto de una variedad de geometrías de elemento de protección solar de acuerdo al método de la presente invención.

La figura 4a a 4c ilustran otro conjunto más de una variedad de geometrías de elemento de protección solar de acuerdo al método de la presente invención. Las figuras 5a a 5d, 6a a 6d, 7a a 7c, 8a a 8d y 9a a 9d ilustran resultados obtenidos de un ejemplo del método de acuerdo a la presente invención.

La figura 10 ilustra una vista explosionada y en perspectiva de un laboratorio de acuerdo a la presente invención.

La figura 11 ilustra una gráfico comparativo de la desviación promedio de datos para una protección solar, según un modelo computacional (A), un prototipo medido en laboratorio (B) y un modelo calibrado de acuerdo a la presente invención (C).

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Como puede observarse esquemáticamente en la figura 1, la presente invención se relaciona con un método para producir un sistema de protección solar en fachada de edificio que comprende las siguientes etapas, en un primer periodo de modelamiento (100):

a) definir y parametrizar un sistema de fachada con una geometría inicial para al menos un elemento de protección solar de dicho sistema de fachada con variable modificables y luego generar una variedad de geometrías para dicho elemento;

b) modelar dicha variedad de geometrías dispuestas entre un espacio interior y el exterior, y calcular un parámetro de desempeño de cada geometría en el modelo producido;

c) ordenar estadísticamente en una base de datos dicha variedad de geometrías;

en un segundo periodo de laboratorio (200):

d) generar prototipos a escala de dicho conjunto seleccionado de dicha variedad de geometrías de elemento de protección solar;

e) medir el parámetro de desempeño de los prototipos mediante un laboratorio de recolección de datos y observación;

en un tercer periodo de calibración y análisis (300): f) reemplazar al menos el parámetro de desempeño antes calculado de dicha variedad de geometrías mediante el modelamiento numérico de la etapa b) en dicha base de datos con el parámetro medido en dicho laboratorio de la etapa e) y calibrar el modelo para obtener dicho parámetro medido al calcular el parámetro de desempeño en dicho modelo calibrado;

g) ordenar nuevamente dicha variedad de geometrías con el parámetro de desempeño calculado en dicho modelo calibrado;

h) seleccionar un nuevo conjunto de dicha variedad de geometrías con dicho nuevo ordenamiento; y

en un cuarto periodo de producción (400):

i) seleccionar un elemento de protección solar de dicho nuevo conjunto ordenado y configurar dicho sistema de protección solar con dicho al menos un elemento de protección solar; y

j) producir dicho sistema de protección solar configurado. De acuerdo a una forma de la invención, dicho parámetro de desempeño es la transparencia de cada geometría según las obstrucciones que ella produce a un sistema de vinculación de puntos de visión dispuestos aleatoriamente tanto en el espacio interior como en el exterior, en donde dicha transparencia está en porcentaje, en donde 0% es completamente opaco y 100% es completamente transparente.

De acuerdo a otra forma de la invención, dicho parámetro de desempeño es el consumo energético o desempeño lumínico.

De acuerdo a una forma preferida de la invención, en la etapa d) se genera prototipos a escala de 1 :2 a 1 : 10, preferentemente 1 :5, de dicho conjunto seleccionado de dicha variedad de geometrías de elemento de protección solar. De acuerdo a una forma preferida de la invención, se puede eligir realizar una modificación en la geometría de la protección solar luego de obtener la variedad de geometrías ordenadas en función del parámetro de desempeño medido en dicho laboratorio de la etapa g), luego se itera después de esta etapa g) directamente a la etapa d) para generar un prototipo de dicha geometría modificada y se sigue el método como se ha descrito anteriormente.

De acuerdo a una forma preferida de la invención, se puede eligir la definición del sistema de fachada, luego de obtener la variedad de geometrías ordenadas en función del parámetro de desempeño medido en dicho laboratorio de la etapa g), luego se itera después de esta etapa g) directamente a la etapa a) para plantear una nueva definición del sistema de fachada y se sigue el método como se ha descrito anteriormente.

De acuerdo a una forma de la invención, dicho elemento de protección solar de dicho sistema de protección solar es un componente fijo. Por ejemplo, dicho componente es una lama fija de una celosía con un conjunto de lamas fijas horizontales, verticales, o una combinación de ambas, en donde se puede parametrizar su espaciamiento y su ancho para generar una variedad de geometrías de elemento de protección solar. También, dicho componente es un rombo fijo de una celosía con un conjunto de rombos fijos.

De acuerdo a otra forma ejemplar de la invención y como puede observarse en las figuras 2a, 2b y 2c, dicho elemento de protección solar es una lama móvil de una celosía de lamas móviles horizontales, verticales, o una combinación de ambas, en donde las lamas pueden variar su inclinación y también tener un movimiento de torsión, este movimiento es definido como variable de torsión (TOR) para su parametrización y evaluación, generando una variedad de geometrías de elemento de protección solar.

En otro ejemplo y como puede observarse en las figuras 3a, 3b y 3c, dicho elemento de protección solar es una pantalla formada por un conjunto de elementos en forma de romboide de esquinas recortadas y móviles, cada elemento de dicho conjunto de elementos pueden girar en tomo a dos ejes ortogonales, este movimiento es definido como variable de sobreposición (SOB) para su parametrización y evaluación, generando una variedad de geometrías de elemento de protección solar.

En aún otro ejemplo y como puede observarse en las figuras 4a, 4b y 4c, dicho elemento de protección solar es un una pantalla formada por un conjunto de paneles móviles sustancialmente cuadrados, en donde dichos paneles pueden moverse en conjunto para formar celosías con lamas horizontales o lamas verticales de diferentes anchos, este movimiento es definido como variable de transformación (TRA) para su parametrización y evaluación, generando una variedad de geometrías de elemento de protección solar.

De acuerdo a una forma adicional de la invención, en la etapa a) al parametrizar dicho elemento de protección solar con variables modificables, se utilizan variables asociadas a la geometría o a la materialidad del elemento de protección solar. Además, dichas variables pueden ser elegidas según los procesos de fabricación, los requerimientos de diseño o el criterio que se considere pertinente, de manera que exista una diferencia apreciable entre las posibles opciones para evitar resultados redundantes o irrelevantes.

Por ejemplo, se definen como variable modificable, el ancho y el espaciamiento de los componentes de la protección solar.

Adicionalmente, es posible incorporar como variables a índices propios a la materialidad como el índice de refracción, la iluminancia, la radiación, el color, así como otras variables como la inclinación, el radio de curvatura del elemento de protección solar y la vista al exterior, en donde se entiende por vista al exterior una orientación geográfica de la fachada, como Norte, Norte oriente, Oriente, Sur oriente, Sur, Sur poniente, Poniente y Norte poniente.

De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, luego de generar una variedad de geometrías para dicho elemento de protección solar, se selecciona de dicha variedad de geometrías, la o las geometrías que maximizan los parámetros de desempeño lumínico elegidos como, por ejemplo, la demanda energética mediante un software de modelación numérica.

De acuerdo a una forma preferida de la invención, se parametriza el movimiento de dicho elemento de protección solar para una estrategia de movimiento utilizando por ejemplo, como variable geométrica, la posición, inclinación y/u orientación de los componentes que forman dicho elemento de protección solar, generando una variedad de geometrías de elemento de protección solar.

De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, dicha estrategia de movimiento de dicho elemento de protección solar, consiste en un sistema de control de lazo abierto, cuyo objetivo es evitar el exceso de ganancia solar a través de la fachada.

De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, dicha estrategia de movimiento de dicho elemento de protección solar se rige por la iluminación interior.

Para definir dicha estrategia de movimiento, se genera un modelo de simulación que permite calcular la iluminancia al interior de un espacio con el elemento de protección solar móvil; en donde se calcula de manera iterativa al mover el elemento de protección solar. Este cálculo se repite un número máximo de veces o hasta que se llegue a la situación ideal. Por ejemplo, un número máximo de iteraciones es 25.

Se utiliza el siguiente algoritmo de control de movimiento de los elementos de las protecciones solares:

- Se define un rango de posiciones válidas según visibilidad: al universo total de posiciones posibles de cada elemento de protección solar, se aplica un criterio de visibilidad que fija un valor de visibilidad mínimo admitido en el espacio interior. El algoritmo reduce el rango de posiciones que cumplen con el criterio de visibilidad.

- Luego se define un rango de movimiento según radiación: a las posiciones del rango deducido por visibilidad se les aplica un criterio de radiación admisible que varía según una máxima radiación exterior que se establezca como límite. Se elige un rango de movimiento que cumpla con el criterio de radiación admisible. Adicionalmente, este criterio puede ser distinto para periodos distintos como la mañana y tarde. Se obtiene nuevamente un nuevo rango de posiciones inferior al rango previo.

Se reitera este algoritmo para cada elemento de la protección solar y sus posibles posiciones, cuando se cumplen los dos criteros para todos los elementos de la protección solar, se mantiene dicha posición por 60 minutos y luego se reitera el algoritmo para controlar el movimiento de los elementos de protección solar. De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, para analizar y modelar el desempeño del elemento de protección solar y sus variables se puede utilizar los modelos siguientes: un modelo de radiación solar (MI); un modelo de iluminación natural (M2); un modelo de visibilidad (M3) y un modelo de demandas (M4) para un espacio interior, por ejemplo un recinto orientable de 6 metros de profundidad, 4m de ancho y 3,5m de altura. Los modelos MI, M2 y M4 corresponden a modelos de análisis dinámico y el modelo M3 corresponde a un análisis cónico de la relación entre el interior y el exterior evitando los puntos ciegos que genera la geometría de la fachada, estos incorporan mediciones anuales.

El modelo de visibilidad (M3) permite establecer los parámetros de visibilidad en base a un análisis cónico de la geometría de la fachada y del espacio interior que cierra. El análisis se basa en una selección aleatoria de puntos interiores que se analizan como focos desde los cuales se mira a puntos también aleatorios en el exterior. Cada foco interior mira a la misma cantidad de puntos exteriores, sin embargo, la fachada bloquea distintas cantidades de puntos según la posición. Esto permite analizar la proporción total de puntos visibles desde el interior y la manera como se distribuyen estos puntos visibles en la planta. El análisis resulta de la combinación de ambos factores. De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, para modelar el parámetro de desempeño, se define un régimen temporal seleccionando días que permitan simular este parámetro de desempeño del elemento de protección solar con la mayor sensibilidad posible ya que normalmente los promedios de periodos extensos aplanan la información y no permiten comprender correctamente los fenónenos que ocurren, por ejemplo se utilizan 12 días característicos del año (soleado, parcial y nublado en cada estación). Por ejemplo, los modelos son desarrollados en un software de modelación 3d (Rhinoceros) y analizados en otros softwares especializados en análisis radiantes (Radiance) y en análisis térmicos (Energy plus).

Los resultados obtenidos de la modelación y simulación son recogidos en una base de datos que permite hacer un análisis comparativos en baso a los índices de desempeño solar, lumínico, visual y energético. Los resultados son sometidos a un proceso de ordenamiento para evaluar diferentes escenarios.

De acuerdo a un aspecto de la invención, en la epata h) se miden el parámetro de desempeño en un laboratorio de recolección de datos y observación que considera mediciones de radiación, temperatura y luz natural que se recogen en bases de datos para calcular los indicadores de desempeño.

De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, en la etapa f) del método de la presente invención, las mediciones obtenidas son utilizadas como referencia que deben ser homologada en los modelos para calcular el parámetro de desempeño. Para lo cual se procede a la calibración del modelo en dos etapas:

- Calibración del laboratorio: consiste en la modelación del laboratorio y de su entorno considerando las propiedades ópticas de los materiales del prototipo, a partir de su medición utilizando un colorímetro y un brillómetro. La calibración consiste en lograr que las mediciones hechas en el laboratorio con el prototipo sean razonablemente similares a las obtenidas por el modelo utilizando un archivo de clima construido con las mediciones de estación meteorológica. La calibración consiste en ajustar las propiedades de los materiales en el modelo hasta llegar a los resultados medidos.

- Calibración de la protección solar: consiste en la calibración de las mediciones de prototipo, utilizando como base el modelo del laboratorio ya calibrado. Las diferencias entre las mediciones del laboratorio y el modelo son atribuidas a la protección solar, por lo tanto, sus propiedades también son medidas y ajustadas en el proceso de calibración. El modelo calibrado permite extraer las propiedades ópticas de la protección solar para llevarlas a otro modelo donde se evalúe el parámetro de desempeño de la protección en régimen dinámico.

La modelación de desempeño considera los modelos MI, M2, M3 y M4 descritos anteriormente para una simulación anual considerando 12 días característicos del año (soleado, parcial y nublado en cada estación). Adicionalmente, se define el espacio interior o recinto com un edificio con distintas orientaciones.

De acuerdo a un aspecto preferido de la invención, se puede ordenar dicha variedad de geometrías de protección solar en base a un índice compuesto (Icomp) que representa el desempeño solar, visual y lumínico en un valor único para cada geometría. Adicionalmente, se puede asignar una ponderación específica a cada componente del índice compuesto, es decir el desempeño solar, visual y lumínico. De acuerdo a una forma preferida de la invención, dicho laboratorio de recolección de datos y observación, consta de instrumentación y de medios de transmisión de datos para medir empíricamente el parámetro de desempeño, incluyendo además una estación meteorológica, una pluralidad de cámaras de recolección de datos y medios de control y movimiento de los elementos de protección solar durante la medición del parámetro de desempeño. En particular y como puede apreciarse en la figura 10, dicho laboratorio de acuerdo a la presente invención comprende:

un contenedor (22) con una pared sustancialmente transparente (21), las otras paredes de dicho contenedor pueden ser por ejemplo de poliuretano expandido y contenedor una abertura desde donde se conecta una tubería de ventilación (29) y comprende un termómetro (27), una pluralidad de luxómetros (24), por ejemplo seis, al menos un radiómetro (25), de preferencia, dos radiómetros adosados a la cara transparente (21);

dicho contenedor (22) comprende medios de desplazamiento (28), como por ejemplo ruedas bajo su cara inferior;

un protector solar adosado (20), en su cara posterior, a la cara translúcida con una forma ahusada y una cara frontal dimensionada para un elemento de protección solar (10) de dicho sistema de fachada definido en la etapa a) del método de acuerdo a la presente invención, dicha cara frontal y cara posterior son vaciadas o sustancialmente transparente, permitiendo el paso de la luz dentro del contendor (20);

dicho elemento de protección solar (10) y un termómetro externo (26) dispuesto delante de dicho elemento de protección solar (10) fuera del contenedor (10); y

un data center (23), es decir un computador con al menos un procesador, al menos una memoria asociada, medios de comunicación alámbricos e inalámbricos y medios de adquisición de datos conectados a dicho termómetro (27), a dicha pluralidad de luxómetros (24), dicho al menos un radiométro (25) y dicho termómetro externo (26).

A continuación se presentan los resultados anualizados de las protecciones solares estudiadas y modeladas de acuerdo a la presente invención, según las condiciones de confort térmico y en las demandas de energía para los conjunto de dicha variedad de geometrías antes mencionados: Torsión (TOR), Transformación (TRA), y Sobreposición (SOB). Así se extrapolan los resultados obtenidos en laboratorio a través de un modelo calibrado que permite analizar el parámetro de desempeño de las protecciones solares con los algoritmos de control de movimiento antes citados y en distintos escenarios. Se utilizaron como parámetros de desempeño lumínico a los siguientes indicadores: Iluminación de luz de día útil (Useful Dailight Illuminance - UDI), % ; Iluminación de luz de día útil Normalizada (Useful Dailight Illuminance Normalizado - UDI NORM), %; Ganancia por Radiación Normalizado (Heat Gain), W/m2; Demanda (DEM), kWh/m2; índice de Calidad Visual (ICV), %; Visibilidad (Vis), %; Movimiento (Imov), 0-1; Indicador Compuesto (Icom), %, que son obtenidos mediante los programas computaciones de cálculo, modelación 3d, de análisis radiantes y en análisis térmicos (GRAS SHOPPER, Rhinoceros, Radiance, DIVA, DAYSIM, Energy plus, ARCHSIM).

El trabajo consisitió en la construcción de modelos, prototipos y sus calibraciones para considerar y corregir las propiedades ópticas de las protecciones solares en los modelos de simulación. Con este resultado luego se construyó un modelo que permitió llevar un análisis capaz de comparar el desempeño según la orientación y estación del año.

Debido a la complejidad de los resultados que consideran las múltiples opciones de posición de los elementos de protección solar (225 posiciones, 8 horas laborales, 8 orientaciones y tres prototipos) el trabajo de anualización se desarrolló para 9 días característicos representativos de las estaciones del año.

Se obtienen los que permite optimizar las condiciones de confort térmico y visual del espacio interior según distintos tipos de protección solar, orientación, con un movimiento óptimo. Como se ha indicado, la simulación permite conocer su desempeño, más allá de las condiciones específicas de los ensayos, en diversas orientaciones y en diversos períodos de tiempo para los tres principios estudiados, con lo que es posible establecer una caracterización del desempeño específico de cada protección solar según su orientación y período. Se presentan los resultados generales para los conjuntos de variedad de geometrías con variables de movimiento Torsión (TOR), Transformación (TRA), y Sobreposición (SOB) en la Tabla 1 con los indicadores indicados anteriormente.

Tabla 1 : indicadores de desempeño para tres tipos de protección solar con elementos móviles.

N: NORTE,

O: Oriente, So: Sur oriente, S: Sur, Sp: Sur poniente, P:

Poniente y Np: Norte poniente.

Las figuras 5a a 5d, 6a a 6d, 7a a 7c, 8a a 8d y 9a a 9d se ilustran los resultados obtenidos en la tabla 1 comparando los distintos conjuntos de variedad de geometrías SOB, TOR, TRA y una muestra de control REF. Así, las figuras 5a, 5b, 5c, y 5d muestran en un resumen anual, en función de las distintas orientaciones, los índices de desempeño utilizado en el ejemplo de la presente invención, de movimiento iMov, UDI y UDI NORM el desempeño de iluminación entre orientaciones con variaciones no superiores a un 10% y mejorar el desempeño del Indicador UDI de manera apreciable, en un 15 a 20% en relación con la muestra de control.

Mientras la muestra de control (REF) consigue un UDI entre 30 y 40%, a protección SOB consigue entre un 40 y 50%, la protección entre un 40 y un 60% y la protección TOR entre un 45 y un 65%. Es notorio que en las orientaciones intermedias (NE-NO-SP-SO) de TOR and TRA existe una diferencia en el desempeño en relación a las orientaciones N-S-O-P, en tanto que el principio de Sobre-posición (SOB) mantiene un nivel comparable en todas las orientaciones, incluidas las intermedias. Al mismo tiempo, se puede apreciar un potencial general de mejoramiento aún por desarrollar el desempeño de Iluminación al comparar UDI y UDI Normalizado que en general presentan una diferencia en torno al 5%.

Las figuras 6a, 6b, 6c y 6d ilustran la componente de ganancia por radiación solar normalizada (en %), separada de la demanda energética del sistema completo, con el movimiento de los tres principios de variabilidad: Torsión (TOR), Transformación (TRA), y Sobreposición (SOB), más la muestra de control.

El objetivo de considerar la radiación solar por separado del resto del sistema de intercambios de calor es establecer claramente la variación relativa de cada principio de variabilidad en la fachada misma. El impacto en el total se refleja en el análisis de la demanda más adelante.

En las figuras 6a, 6b, 6c y 6d se aprecia una reducción considerable de las ganancias solares anualizadas, en los prototipos de Sobreposición (SOB) de 0,1 a 0,3; de Torsión (TOR) entre 0,15 y 0,35; y de Transformación (TRA) entre 0,15 y 0,35 a en la muestra de control que oscilan entre 0,2 y 0,6.

En las siguientes figuras 7a, 7b y 7c se aprecia la reducción de las Demandas en los tres principios de variabilidad de Torsión (TOR), Transformación (TRA), y Sobreposición (SOB), en relación con la Demanda de la muestra de control (DEM REF). Las variaciones en los tres casos son del mismo orden, con la notoria excepción de la orientación Sur en todos los casos.

Se puede decir entonces que desde el punto de vista de las Demandas, las tres variables (TOR, TRA y SOB) tienen un impacto claro al reducir las demandas, al mismo tiempo que no se aprecian diferencias relevantes entre las soluciones propuestas entre estas tres variables (TOR, TRA y SOB).

Las figuras 8a, 8b, 8c y 8d ilustran un indicador denominado Indice de Calidad Visual [ICV] y los indicadores de Iluminación [UDI] y de Visibilidad [Vis] para mantener un equilibrio entre los indicadores de Visibilidad y Radiación.

Los resultados de ICV para la variable (SOB) son claramente semejantes a los UDI y Vis, y se pueden considerar prácticamente una suma de los anteriores. Los resultados para la variable (TOR) muestran cómo la homogeneidad en el desempeño por Visibilidad predomina en el ICV consolidado, semejante al primero en homogeneidad, si bien prácticamente lo duplica en valores. Finalmente, la variable (TRA) presenta una mayor dispersión, aunque es también reconocible la tendencia aún mayor desempeño hacia el oriente, tanto en los indicadores parciales como en el consolidado.

Todos estos desempeños, además, son apreciablemente superiores a los de la muestra de control, que también presenta la consistencia mencionada entre los indicadores parciales UDI y Vis y el consolidado ICV. En las figuras 9a, 9b, 9c y 9d se aprecian claramente las siguientes observaciones:

- la variable Torsión (TOR) presenta con un índice de Calidad Visual (ICV) cercano al 100% en todas las orientaciones, y un UDI normalizado entre 60 y 90%;

- la variable Transformación (TRA) presenta un ICV entre 50 y 100% con una clara tendencia a un mejor desempeño en las orientaciones al Este, y un UDI normalizado entre 70 y 100% con una tendencia algo menor al Oriente también; y

- la variable Sobreposición (SOB) con un índice de Calidad Visual (ICV) cercano al entre el 80 y el 100% en todas las orientaciones, y un UDI normalizado muy homogéneo entre 50 y 60%.

Finalmente, se presentan los resultados comparativos de la figura 11, en donde en se puede comparar la desviación promedio de datos obtenidos en cuanto a un desempeño lumínico medido en Lux, para una protección solar, según un modelo computacional (A), un prototipo medido en laboratorio (B) y un modelo calibrado de acuerdo a la presente invención (C). Como se puede observar, el modelo calibrado de acuerdo a la presente invención (C) mantiene una baja desviación promedio en todo el rango de tiempo comparado con la desviación promedio del modelo computacional (A) y un prototipo medido en laboratorio (B), cuyas desviaciones promedios aumentan a partir de las 14:00, lo que implica que el modelo calibrado de acuerdo a la presente invención (C) entrega una mayor precisión, mayor confiabilidad y estabilidad de predicciones que los modelos computaciones (A) como aquellos del arte previo y de prototipos de laboratorios (B). Esto permite mejores decisiones de diseño y un método de producción para sistema de protecciones solares más confiable y de mejores resultados.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Método para producir un sistema de protección solar en fachada de edificio, CARACTERIZADO porque comprende las siguientes etapas, en un primer periodo de modelamiento (100):

en un segundo periodo de laboratorio (200):

en un tercer periodo de calibración y análisis (300):

f) reemplazar al menos el parámetro de desempeño antes calculado de dicha variedad de geometrías mediante el modelamiento numérico de la etapa b) en dicha base de datos con el parámetro medido en dicho laboratorio de la etapa e) y calibrar el modelo para obtener dicho parámetro medido al calcular el parámetro de desempeño en dicho modelo calibrado;

1 en un cuarto periodo de producción (400):

j) producir dicho sistema de protección solar configurado.

2.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque dicho parámetro de desempeño es la transparencia de cada geometría según las obstrucciones que ella produce a un sistema de vinculación de puntos de visión dispuestos aleatoriamente tanto en el espacio interior como en el exterior, en donde dicha transparencia está en porcentaje, en donde 0% es completamente opaco y 100% es completamente transparente

3.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque dicho parámetro de desempeño es el consumo energético o desempeño lumínico.

4 Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque en la etapa d) se genera prototipos a escala de 1 :2 a 1 : 10 de dicho conjunto seleccionado de dicha variedad de geometrías de elemento de protección solar.

5.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque dicho elemento de protección solar de dicho sistema de protección solar es un componente fijo.

6.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque en la etapa a) al parametrizar dicho elemento de protección solar con variables modificables, se utilizan variables asociadas a la geometría o a la materialidad del elemento de protección solar.

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7.- Método de acuerdo a la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque se definen como variable modificable, el ancho, el espaciamiento de los componentes de la protección solar, la inclinación y el radio de curvatura del elemento de protección solar y la vista al exterior, en donde se entiende por vista al exterior una orientación geográfica de la fachada.

8.- Método de acuerdo a la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque dichas variables modificables corresponden al índice de refracción, la iluminancia, la radiación y el color del elemento de protección solar.

9 Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque en la etapa a) se parametriza el movimiento de dicho elemento de protección solar para una estrategia de movimiento, generando una variedad de geometrías de elemento de protección solar.

10.- Método de acuerdo a la reivindicación 9, CARACTERIZADO porque dicha estrategia de movimiento de dicho elemento de protección solar, consiste en un sistema de control de lazo abierto, cuyo objetivo es evitar el exceso de ganancia solar a través de la fachada.

11.- Método de acuerdo a la reivindicación 10, CARACTERIZADO porque dicha estrategia de movimiento de dicho elemento de protección solar se rige por la iluminación interior, en donde para definir dicha estrategia de movimiento, se genera un modelo de simulación que permite calcular la iluminancia al interior de un espacio con el elemento de protección solar móvil; en donde se calcula de manera iterativa al mover el elemento de protección solar

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12.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque en la etapa b) y f) para modelar el desempeño del elemento de protección solar y sus variables se utilizan uno o varios de los modelos siguientes: un modelo de radiación solar (MI); un modelo de iluminación natural (M2); un modelo de visibilidad (M3) y un modelo de demandas (M4).

13.- Método de acuerdo a la reivindicación 12, CARACTERIZADO porque dichos modelos de radiación solar, de iluminación natural y de demandas (MI, M2 y M4) corresponden a modelos de análisis dinámico y dicho modelo de visibilidad (M3) corresponde a un análisis cónico de la relación entre el interior y el exterior evitando puntos ciegos que genera la geometría de la fachada, incorporando mediciones anuales.

14.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque en la etapa b) y f) para modelar el parámetro de desempeño, se define un régimen temporal seleccionando días característicos del año.

15.- Método de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO porque en la etapa f) las mediciones obtenidas son utilizadas como referencia que deben ser homologada en los modelos para calcular el parámetro de desempeño, en donde se procede a la calibración del modelo en dos etapas:

i) una primera etapa de calibración del laboratorio que consiste en la modelación de dicho laboratorio y de su entorno considerando las propiedades ópticas de los materiales del prototipo y en lograr que las mediciones hechas en el laboratorio con el prototipo sean sustancialmente similares a aquellas obtenidas por el modelo utilizando un archivo de clima construido con las mediciones de estación meteorológica, ajustando las propiedades de los materiales en el modelo hasta llegar a los resultados del parámetro de desempeño medido; y

4 ii) una segunda etapa de calibración de la protección solar, utilizando como base el modelo de laboratorio ya calibrado en donde las propiedades de la protección solar también son medidas y ajustadas, en donde el modelo de laboratorio calibrado permite extraer las propiedades ópticas de la protección solar para llevarlas a otro modelo donde se evalúe el parámetro de desempeño de la protección en régimen dinámico.

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