Estudio del comportamiento evaporativo de los edificios del patrimonio histórico mediante sistemas de monitorización higrotérmica

Definición del objeto de estudio: el comportamiento evaporativo Los edificios históricos se encuentran en equilibrio con el microclima que los rodea. Los materiales constructivos tradicionales que los conforman se caracterizan por ser porosos y carecen de sistemas de impermeabilización. Esto hace que, en contacto con el agua, se produzca un flujo de succión‐evaporación a través de los muros. El agua evaporada pasa al ambiente interior, dónde la efectividad de la ventilación natural determina la capacidad de disipación de este vapor de agua al exterior. La acción combinada de succión‐evaporación y disipación, se puede agrupar bajo la definición de comportamiento evaporativo del edificio1. Para estudiar este fenómeno es necesario conocer todos los factores que lo determinan: materiales, climáticos y morfológicos. Estos parámetros intervienen de manera combinada en el comportamiento evaporativo del edificio, por lo que no se deben estudiar de manera independiente. Utilidad del estudio del comportamiento evaporativo de los edificios históricos Caracterizar el comportamiento evaporativo de un edificio histórico asegura un conocimiento preciso de las fluctuaciones higrotérmicas que se producen de manera natural tanto en el ambiente como a través de su envolvente. Esto resulta esencial para la conservación preventiva de este tipo de construcciones. Se han empleado frecuentemente los cálculos de succión‐evaporación en muros para evaluar la afección de lesiones por humedad. Pero, acoplando el cálculo de la disipación de la humedad al ambiente se puede evaluar con precisión la eficacia de técnicas pasivas de ventilación natural que ayudaría así a prevenir las lesiones. El control eficiente de la ventilación natural previene este tipo de daños, si se consigue mantener el edificio en un estado de equilibrio dinámico adecuado. También la precisión en el cálculo de la ventilación natural es útil para el control ambiental en cuanto a la conservación de los bienes muebles y el confort térmico. Por tanto, teniendo en cuenta tanto el ambiente como la envolvente se puede obtener un cálculo más preciso de las condiciones higrotérmicas del interior que sea beneficioso tanto para los ocupantes, los bienes muebles y el propio edificio, que si sólo se monitorizan y registran las variables de ambiente. Otra de las capacidades del cálculo del comportamiento evaporativo es poder prever cómo los cambios climáticos afectan al edificio. Esto resulta fundamental para la conservación de su integridad material. Situación actual de la investigación en este campo de estudio Para el desarrollo de esta tesis, primero se ha llevado a cabo una revisión de las diferentes investigaciones existentes en cuanto al estudio del agua en relación con los parámetros climáticos y materiales de los edificios históricos. Estos trabajos se han agrupado en tres ramas: estudio del comportamiento del agua en los materiales y sistemas constructivos tradicionales, monitorización higrotérmica de los edificios históricos y, por último, simulaciones por ordenador realizadas en este tipo de edificios. Cada una de estas tres líneas ofrece un conocimiento muy amplio en su especialidad, pero se ha detectado que los trabajos que combinen las tres perspectivas y además aborden el estudio conjunto de variables materiales, morfológicas y ambientales sobre el edificio histórico son un número reducido del global. En el estudio de los antecedentes también se ha detectado que no existe un sistema unitario de acercamiento al estudio del edificio, ya que depende de cada una de las disciplinas científicas y de los objetivos específicos con que se está estudiando. Propuesta de una metodología para el estudio del comportamiento evaporativo de los edificios históricos Dado que en arquitectura se estudia el edificio desde una perspectiva holística, se propone un método que combine las distintas herramientas (caracterización de materiales, monitorización higrotérmica y simulación por ordenador) que permitan obtener todos los parámetros (materiales, climáticos y morfológicos) para realizar los cálculos. De esta manera, se obtiene el conocimiento completo del comportamiento evaporativo del edificio. Para ello se han empleado: sistemas de monitorización higrotérmica, ensayos de caracterización de materiales y simulación por ordenador. El método empleado se basa en un sistema de trabajo organizado en fases que se interconectan entre sí. Se ha buscado que sea aplicable a casos prácticos, bajo condiciones reales del edificio y útil para el análisis de este tipo de construcciones, apoyándose siempre en los antecedentes de investigación existentes. Para la monitorización higrotérmica in‐situ, se diseñó un protocolo estandarizado de colocación de aparatos. Los datos obtenidos aseguran el conocimiento del microclima exterior y el ambiente interior, y se emplean para realizar la simulación del edificio en condiciones de contorno reales. De los ensayos de laboratorio se obtienen los datos necesarios sobre los materiales para la simulación por ordenador. El cálculo computacional que se ha empleado combina: la simulación del movimiento del aire interior‐exterior (CFD) con el cálculo de transferencia de temperatura y humedad a través de los muros. Validación de los cálculos y la metodología de trabajo mediante su puesta en práctica en casos de estudio reales Para validar el método propuesto se ha puesto en práctica en tres diferentes casos de estudio: la Iglesia de Santiago de Peñalba (León), el Monasterio de Santa María de Conxo (Santiago de Compostela) y la ermita del Humilladero (Ávila). Todos los edificios estudiados presentan un conjunto de características comunes esenciales: edificios muy masivos, con grandes espesores de muro, pocos huecos, construidos en piedra, con su cimentación en contacto directo con el terreno, sin ningún tipo de impermeabilización y sin sistemas de calefacción. Esta tipología es común en la mayoría de edificios históricos como iglesias, monasterios, castillos o catedrales. Al mismo tiempo, cada edificio presenta ciertas particularidades, lo que ha permitido hacer algunas diferenciaciones en el método y observar cómo los resultados de comportamiento evaporativo cambian a condición de las particularidades de cada caso, por lo que éstas se han tenido en cuenta, adaptando el sistema de trabajo a cada caso particular. En este trabajo se detallan los cálculos realizados en los tres casos de estudio y se demuestra la utilidad del método. Además, se explican las dificultades que se han ido encontrado durante el desarrollo del trabajo en cada edificio. Algunas de estas dificultades son, sin duda, futuras líneas de investigación abiertas en relación directa con la investigación aquí presentada. Por otra parte, se discuten los resultados de los tres edificios, comentando las particularidades de cada caso y las tendencias comunes entre los tres edificios. El registro de estas tendencias que se pueden repetir en diferentes casos de estudio pueden resultar de utilidad a la hora de emprender nuevos trabajos en otros edificios. ----------ABSTRACT---------- Subject matter. evaporative behaviour Historic buildings are in balance with the microclimatic environment. They are characterized by their traditional building materials, which are porous and the waterproofing quality is very lacking within these type of construction system. Exposed to water, this causes a suction‐evaporation flow through the walls. Water suctioned by the wall evaporates to the indoor environment. The water vapour dissipation in the building is determined by the efficiency in which natural ventilation occurs within the interior environment. The actions of both, suction‐evaporation and dissipation categorized under “building evaporative behaviour” definition. In order to understand this phenomenon, it is necessary to know all the factors involved: material, climatic and morphological parameters. These interact in a combined way in the evaporative behaviour therefore, they should not be studied independently. Research usefulness in historic buildings evaporative behaviour Characterizing the evaporative behaviour of historic buildings ensures accurate knowledge of hygrothermal fluctuations that occurs both in the environment and through the envelope. This is essential for the heritage preventive conservation. Walls suction‐evaporation calculations have been frequently used to evaluate the causes of moisture damage. By coupling moisture dissipation calculations to the environment, the effectiveness of passive techniques of natural ventilation can be evaluated with major precision, which would help to prevent decay. Efficient control of natural ventilation prevents this type of damage if the building is maintained in an adequate dynamic balance state. Precision improvements in natural ventilation calculation are also useful to ensure an adequate and controlled indoor environment, for the conservation of artworks, as well as, thermal comfort. Hence, considering both environment and envelope fluctuations, a more favourable hygrothermal may be calculated for both occupants, artworks and the building itself. Another use of these type of calculations, is the ability to determine the evaporative behaviour capacity, in order to predict how climate change affects buildings. This is fundamental for the conservation of buildings material integrity. Current state within this field of research In order to being this thesis, a review of the different existing fields of research related to evaporative behaviour was carried out, focusing on the relationships between water, porous building materials and climatic conditions. These have been grouped into three branches: Scientific research focused on the study of water behaviour on traditional building materials and systems, hygrothermal monitoring of historic buildings and, finally, computational simulations of historic buildings. Each of these three branches offers a very broad knowledge in its field of study. However, scientific research on historic buildings that combine these three perspectives and also address surveys on material, morphological and environmental variables constitute only a small part. As for the methodology, there is no unitary approach in historic buildings researches, since it depends on each scientific discipline and, of course, on the specific objectives in each case study. Methodology proposal for the study of the evaporative behaviour of historic buildings. Since in architecture buildings are studied from a holistic perspective, a method is proposed combining different tools (materials characterization, hygrothermal monitoring and computational simulation) that allow to obtain all the parameters (material, climatic and morphological parameters) needed for these calculations. Therefore, the results obtained are a complete knowledge of evaporative behaviour of buildings. The methodology applied is based on systematic procedure organized in interconnected stages. It has been sought to be applicable to practical cases, under real building conditions and useful for the analysis of this type of construction, always relying on the existing research background. A standardized protocol was designed for in‐situ hygrothermal monitoring. The data obtained ensures indoor and outdoor climatic knowledge, and are used to perform the building simulation in real boundary conditions. Material characteristics implemented in computer simulation are obtained from laboratory tests. The computational calculation used combines: simulation of indoor‐outdoor air movement (CFD) with temperature and humidity transfer calculations through the walls. Validation of methodology and calculations through real case studies implementation In order to validate the proposed method, it has been implemented in three different case studies: Santiago de Peñalba Church (León, Spain), Santa María de Conxo Monastery (Santiago de Compostela, Spain) and Humilladero Chapel (Avila). All the studied buildings present the following a set of essential and common characteristics: massive buildings, with large wall thicknesses, few openings (windows and doors), built in stone, with their foundations in direct contact with the ground, without any type of waterproofing system and without HVAC systems. This typology is common in most of the historic buildings such as churches, monasteries, castles or cathedrals. At the same time, each building has certain particularities, which has allowed to make some methodological fits and observe how the results of evaporative behaviour change depending on the building particularities. Therefore, this reveals that specific details must be taken into account, adapting the system to each particular case. The calculations made in the three case studies proves the utility of the presented method. At the same time, it is explained difficulties encountered during the development of each building survey and calculations are also explained. Some of these difficulties are future lines of research open in direct relation with the thesis presented here. The results of the three buildings, some particularities of each case and the common trends among them are discussed in this work. The registration of these trends, that can be repeated in other cases, can be useful when undertaking new investigations in other buildings