EL USO DE ALGORITMOS GENÉTICOS APLICADOS AL DISEÑO BIOAMBIENTAL ...

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA UNIVERSIDAD DE SEVILLA
FACULTAD DE ARQUITECTURA Y URBANISMO ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA
DOCTORADO EN ARQUITECTURA Y URBANISMO DEPARTAMENTO DE
CONSTRUCCIONES ARQUITECTÓNICAS I
EL USO DE ALGORITMOS GENÉTICOS APLICADOS AL DISEÑO BIOAMBIENTAL
PARAMÉTRICO
Tesis doctoral presentada por
PATRICIA EDITH CAMPOREALE
ante la Facultad de Arquitectura y Urbanismo de la
Universidad Nacional de La Plata y la Universidad de Sevilla
para acceder al grado académico de
DOCTOR EN ARQUITECTURA Y URBANISMO
Dirección de tesis en cotutela:
Director: Dr. Ing. Arq. Jorge Daniel Czajkowski UNLP
Directora: Dra. Arq. María del Pilar Mercader Moyano US
La Plata, Argentina, 15 de mayo de 2017
Agradecimientos
Quiero agradecer a todos los que contribuyeron, de una manera u otra, a culminar este
sueño gestado mucho tiempo atrás y postergado por circunstancias de la vida. Sin su ayuda
no hubiera sido posible alcanzar este objetivo.
A mi director, el Dr. Jorge Czajkowski, por confiar en la idea con la que me presenté un día
en su laboratorio, ofrecerme su espacio de trabajo y guiarme hasta la meta.
A mi directora, la Dra. Pilar Mercader Moyano, por alentarme a confiar en mis propias
capacidades y darme toda su experiencia y apoyo.
Al Dr. Antonio Ramírez de Arellano por su aliento y entusiasmo.
Al Dr. Gautam Dutt por iniciarme en la investigación, ofreciéndome todo su conocimiento e
infundirme confianza en lo que podia lograr.
A Paz Diulio, por su inestimable ayuda y compañía y a mis compañeros del laboratorio por
las horas compartidas.
A mis amigos, en especial Patricia, por acompañarme y alentarme a seguir en los momentos
difíciles.
Y por último, a mi familia. A Claudio por alentarme en esta empresa, asumiendo la
responsabilidad del hogar durante mi estancia doctoral en España. A mis hijos, Luciana por
su paciencia de tenerme a la distancia, y a Ayelén y Eric por su permanente aliento y sus
valiosas revisiones.
Fueron muchas las personas que contribuyeron para la culminación de este trabajo, donde
no faltaron los obstáculos pero que, al haberlos superado, no hicieron más que fortalecerme.
A todos y cada uno, gracias por haber hecho posible esta tesis.
Indice
El uso de algoritmos genéticos aplicados al diseño bioambiental paramétrico
ii
Índice
Introducción
Consideraciones previas 3
Motivación 5
Estado del arte 7
Objetivos de la investigación 9
Metodología 10
Estructura del documento 11
Resumen- Abstract 13
I Estado de la cuestión
1. Marco teórico disciplinar
1.1. Delimitación del problema de investigación y marco teórico 19
1.2. Energía y ambiente 19
1.2.1 La energía en Argentina 20
1.2.2. La energía en España 23
1.3. Arquitectura bioclimática 25
1.4. Conclusiones 29
2. Cibernética y diseño digital
2.1. Arquitectura algorítmica 33
2.2. Arquitectura emergente: Sistemas materiales, morfogénesis digital y
desempeño energético 36
2.3. Los algoritmos genéticos 37
2.4. Programas de diseño evolutivo: GENR8 38
2.5. Otros programas de diseño paramétrico 40
2.6. Diseño paramétrico y evaluación energética 41
2.7. Conclusiones 45
3. El modelo bioambiental paramétrico y los otros modelos
3.1. El modelo académico 49
3.2. El modelo bioclimático, bioambiental y ambientalmente consciente 50
3.2.1. El programa ENERGOCAD 52
3.3. El modelo bioambiental paramétrico 52
3.4. Comparación entre los diferentes modelos 55
3.5. Conclusiones 57
4. Normativa local e internacional: eficiencia energética en edificios
4.1. Introducción 61
iii
El uso de algoritmos genéticos aplicados al diseño bioambiental paramétrico
4.2. Normativa y legislación en Argentina
4.2.1. Normas IRAM 61
4.2.1.1. Norma IRAM 11507-1. Carpintería de obra.
Ventanas exteriores. Requisitos básicos y clasificación 62
4.2.1.2. Norma IRAM 11507 4. Carpintería de obra y fachadas
integrales livianas. Ventanas exteriores. Parte 4:
Requisitos complementarios 63
4.2.1.3. Norma IRAM 11601. Aislamiento térmico de edificios.
Métodos de cálculo. Propiedades térmicas de los
componentes y elementos de construcción en régimen 64
estacionarios. Aislación térmica
4.2.1.4. Norma 11603. Acondicionamiento térmico de edificios.
Clasificación bioambiental de la República Argentina 65
4.2.1.5. IRAM 11604. Coeficiente volumétrico de calefacción: G 69
CAL
4.2.1.6. Norma IRAM 11605. Acondicionamiento térmico de edificios.
Condiciones de habitabilidad en edificios. Valores
máximos de transmitancia térmica e cerramientos opacos 72
4.2.1.7. Norma IRAM 11659-2. Acondicionamiento térmico de edificios.
Verificación de sus condiciones higrotérmicas. Ahorro de
energía en refrigeración. Parte 2: Edificios para viviendas 73
4.2.2. Ley 13059 decreto 1030/2010 de la Provincia de Buenos Aires.
Condiciones de Acondicionamiento Térmico exigibles en la construcciónde
edificios.
4.2.3. Ordenanza 8757/13 de la Ciudad de Rosario. "Aspectos Higrotérmicos
y Demanda Energética de las Construcciones” 77
4.2.4. Ley 4458 “Normas de Acondicionamiento Térmico en la Construcción de
Edificios” de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires 79
4.3. Normativa y legislación en España 79
4.3.1. Código Técnico Español: Documento Básico HE/ DccHE 80
4.3.1.1. Sección HE 0: Limitación del consumo energético de
calefacción 81
4.3.1.2. Sección HE 1: Limitación de la demanda energética 83
4.3.1.3. Documentos de apoyo 86
4.3.1.4. Apéndice B: Zonas climáticas 87
4.4. Normativa europea
4.4.1. Norma UNE-EN ISO 13790: Eficiencia energética en edificios.
Cálculo del consumo de energía para calefacción yrefrigeración de espacios 87
4.4.2. CIBSE TM41: 2006. Teoría de los grados días y aplicación 93
iv
Índice
4.5. Normativa en EEUU
4.5.1. ASHRAE Handbook Fundamentals SI. Cálculo de las cargas
térmicas por calefacción y refrigeración 97
4.5.2. Norma ANSI-ASHRAE/IES 90.1-2010: Normativa para edificios
excepto edificios residenciales bajos (Edición I-P) 101
4.5.3. Norma ANSI-ASHRAE/IES 90.2-2010: Normativa para edificios
residenciales bajos (Edición I-P) 102
4.6. Conclusiones 102
II Objetivos, metodología y desarrollo de la investigación
5. Objetivos 107
6. Metodología 111
7. Etapa 1: Diseño del modelo bioambiental paramétrico
7.1. Génesis del modelo bioambiental paramétrico 119
7.2. Estructura del modelo 120
7.2.1. Estructura del modelo 120
7.2.2. Procesamiento de ls datos 120
7.2.3. Resultados 120
8. Etapa 2. Edificio de nueva planta en el área metropolitana de Buenos Aires.
Subetapa 2.1: Datos de entrada
8.1. El edificio
8.1.1. Implantación 128
8.1.2. Programa funcional 130
8.1.3. Transmitancia térmica de la envolvente 130
8.1.4. Ocupación 135
8.1.5. Equipamiento 135
8.2. Datos climáticos
8.2.1. Temperatura 135
8.2.2 Viento 138
8.2.3. Humedad 139
8.2.4. Radiación solar 139
9. Etapa 2. Edificio de nueva planta en el área metropolitana de Buenos Aires.
Subetapa 2.2: Estructuración de los datos
9.1. Determinación de la implantación y la geometría edilicia 143
9.2. Temperaturas de diseño y horarias 148
v
El uso de algoritmos genéticos aplicados al diseño bioambiental paramétrico
9.3. Infiltración y renovaciones de aire 148
9.4. Cálculo del coeficiente global de pérdidas de calor (G ) 152
CAL
9.5. Cálculo del coeficiente volumétrico de refrigeración (G ) 153
REF
9.6. Cálculo del índice bioclimático decalefacciónpara un día típico de invierno (B ) 157
CAL
9.7. Cálculo del índice bioclimático dede refrigeración para un día típico de verano
(B ) 162
REF
9.8. Cálculo de las ganancias térmicas para la hora pico solar: Q de un día típico
h14
de invierno 164
10. Etapa 2. Edificio de nueva planta en el área metropolitana de Buenos
Aires.
Sub-etapa 2.3: Optimización de la morfología y la envolvente edilicias
10.1. Integración de las variables a optimizar. El uso del AG 169
10.2. Iteración del AG: Optimización de la morfología 169
10.3. Iteración del AG: Optimización de los elementos vidriados 172
10.4. El cálculo de la demanda de calefacción a la hora pico solar: Q 176
CALh14
10.5. Relación entre el índice bioclimático de refrigeración B y la demanda de
REF
calefacción a la hora pico solar: Q 178
CALh14
10.6. Validación de los resultados 179
10.7. Conclusiones 182
11. Etapa 3. Rehabilitación energética: viviendas en Sevilla
11.1. El modelo de diseño paramétrico bioambiental aplicado a un caso de rehabilitación
energética: su adaptación metodológica 185
11.2. Descripción del caso de estudio 187
11.2.1.Clima 189
11.2.2.El edificio 193
11.3. Optimización multi-objetivo 196
11.3.1. Proceso de optimización. Etapa 1: Performance energética 196
11.3.2.Demanda energética: DIVA/ EnergyPlus 197
11.3.3.Validación de BCAL-BREF con EnergyPlus 201
11.3.4.Proceso de optimización. Etapa 2: Factibilidad financiera 202
11.4. Conclusiones 205
III. Conclusiones
12. Conclusiones
12.1. Conclusiones acerca del estado del arte 209
12.2. Conclusiones acerca del modelo propuesto y sus aplicaciones 210
vi
Índice
12.2.1. Caso de estudio de edificio de nueva planta 211
12.2.2. Caso de estudio de rehabilitación energética 211
12.3. Futuras líneas de investigación 211
Bibliografía 213
Anexo 1: Datos climáticos de Buenos Aires
Tabla A1-1: Temperaturas máximas y mínimas julio estación Gonnet 237
Tabla A1.2: Temperaturas máximas y mínimas enero estación Gonnet 238
Tabla A1.3: Radiación solar por orientación y horizontal (invierno). 239
Tabla A1.4: Radiación solar por orientación y horizontal (verano) 240
Tabla A1.5: Temperaturas horarias julio (invierno 241
Tabla A 1.6: Temperaturas horarias enero (verano) 242
Tabla A1.7: Temperaturas sol-aire 14 h enero (verano) 243
Tabla A1.8: Temperaturas sol-aire enmuros N julio (invierno) 244
Tabla A1.9: Temperaturas sol-aire enmuros S julio (invierno) 245
Tabla A1.10: Temperaturas sol-aireen muros E julio (invierno) 246
Tabla A1.11: Temperaturas sol-aire enmuros O julio (invierno) 247
Tabla A1.12: Temperaturas sol-aire en cubiertas julio (invierno) 248
Tabla A1.13: Temperaturas sol-aire en muros N enero (iverano) 249
Tabla A1.14: Temperaturas sol-aire en muros S enero (iverano) 250
Tabla A1.15: Temperaturas sol-aire en muros E enero (iverano) 251
Tabla A1.16: Temperaturas sol-aire en muros O enero (iverano) 252
Tabla A1.17: Temperaturas sol-aire en cubiertas para un día típico de verano 253
Tabla A1.18: Variación de la velocidad del viento y del largo de junta de carpintería
con la altura 254
Anexo 2: Resultados obtenidos en la optimización del edifício en torre
Tabla A2.1: Resultados de la optimización geométrica y del área vidriada del
edificio en torre 257
Tabla A 2.2.: Porcentajes de muro y área vidriada según cada orientación 258
Anexo 3: Datos climáticos de Sevilla
Tabla A3-1: Datos estación meteorológica Sevilla Aeropuerto 261
Tabla A3-2: Radiación solar media horaria enero (invierno) 261
Tabla A3.3: Radiación solar media horaria julio (verano) 262
Tabla A3.4: Temperaturas horarias julio (verano) 263
Tabla A3.5: Temperaturas horarias enero (invierno) 264
Tabla A3.6: Temperaturas sol-aire en muros N enero (invierno) 265
vii
El uso de algoritmos genéticos aplicados al diseño bioambiental paramétrico
Tabla A3.7: Temperaturas sol-aire en muros S enero (invierno) 266
Tabla A3.8: Temperaturas sol-aire en muros E enero (invierno). 267
Tabla A3.9 Temperaturas sol-aire en muros O enero (invierno) 268
Tabla A3.10 Temperaturas sol-aire enmuros NO enero (invierno) 269
Tabla A3.11 Temperaturas sol-aire enmuros NE enero (invierno) 270
Tabla A3.12 Temperaturas sol-aire enmuros SE enero (invierno) 271
Tabla A3.13 Temperaturas sol-aire en muros SO enero (invierno) 272
Tabla A3.14. Temperaturas sol-aire en cubiertas enero (invierno) 273
Tabla A3.15 Temperaturas sol-aire enmuros Norte julio (verano) 274
Tabla A3.16. Temperaturas sol-aire enmuros Sur julio (verano) 275
Tabla A3.17. Temperaturas sol-aire enmuros Este julio (verano) 276
Tabla A3.18.Temperaturas sol-aire enmuros Oeste julio (verano) 277
Tabla A3.19.Temperaturas sol-aireen muros NO julio (verano) 278
Tabla A3.20.Temperaturas sol-aire en muros NE julio (verano) 279
Tabla A3.21.Temperaturas sol-aireen muros SE julio (verano) 280
Tabla A3.22.Temperaturas sol-aireen muros SO julio (verano) 281
Tabla A3.23. Temperaturas sol-aire en cubiertas para un día típico de verano. (julio) 282
viii