Predicting the contribution of water flow glazing to nearly zero energy buildings by means of validation of analytical and numerical models, through experimental data

El sector de la construcción representa el 40% del consumo energético total de la Unión Europea. La UE aspira a ser neutral desde el punto de vista climático para 2050, una economía con cero emisiones de gases de efecto invernadero. La importancia de la eficiencia energética en los edificios es innegable; El sector inmobiliario es un activo de inversión en crecimiento que proporciona empleo, ingresos y constituye una parte importante del producto interior bruto de las economías nacionales. En las últimas décadas los arquitectos han recurrido al vidrio para lograr no solo un alto grado de luz natural, uniformidad exterior y una estética atractiva, sino también proyectos con elevado rendimiento térmico. Los materiales transparentes utilizados en las envolventes de edificios contribuyen a aumentar las cargas térmicas de calefacción y refrigeración de un edificio. El uso del vidrio requiere resolver problemas relacionados con la ganancia y pérdida de calor, así como con la luz natural. El acristalamiento de flujo de agua (WFG) es una tecnología disruptiva que incluye vidrio como parte del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El agua es transparente a las longitudes de onda visibles, aunque captura la mayor parte de la radiación solar infrarroja. Como alternativa a los sistemas HVAC basados en combustibles fósiles, la energía absorbida puede transferirse a un depósito de inercia para su uso posterior o disiparse como un medio de enfriamiento evaporativo. Esta tesis contribuye al campo de las fachadas avanzadas de edificios mediante la aplicación de la investigación experimental de las envolventes WFG, que gestionan activamente el flujo de energía y la transferencia de calor entre el edificio y su entorno exterior. Para evaluar esta característica dinámica de las fachadas WFG, se aplica una metodología robusta basada en modelos matemáticos simplificados que predicen el comportamiento térmico de la envolvente WFG. Los datos de simulación se compararon con los datos reales de los distintos prototipos construidos. Los demostradores analizados enriquecieron la metodología por estar construidos en diferentes ubicaciones y orientaciones. Algunos de los demostradores eran prototipos a escala y otros edificios reales, tanto de obra nueva como de rehabilitación. Además, también se evaluaron diferentes estrategias energéticas y composiciones de vidrio, como la absorción y la reflexión de la energía solar. El hallazgo más relevante de esta investigación verifica la condición dinámica de los sistemas WFG a través los valores de U y de g variables. En la fachada sur del prototipo Sofa, el valor U varió de 1.041 a 0.066, mientras que el factor g varió de 0.592 a 0.24 con caudal másico de 0 L/m2 min o 2 L/m2 min. Además, la tecnología WFG se puede integrar con bombas de calor de agua - agua o aire - agua, lo que proporciona un incremento del coeficiente de rendimiento (COP) de la máquina. El prototipo de DMAIA mostró un COP mejorado pasando 2,90 a 3,62, con una temperatura exterior de 35°C y una temperatura de la cámara de agua de 18°C. La principal conclusión de esta tesis es que la envolvente WFG contribuye a la eficiencia energética, reduciendo las emisiones de CO2 y aumentando el confort en el interior de los edificios acristalados. La evaluación del ciclo de vida de los sistemas WFG mostró consistentemente una mayor inversión inicial que el acristalamiento tradicional. El coste final del ciclo de vida demostró que los sistemas WFG solo mejoran al doble acristalamiento tradicional durante la fase de operación. Sin embargo, una evaluación energética del ciclo de vida a lo largo de 50 años concluyó que se podrían lograr ahorros de energía entre el 36% y el 66% y una reducción de las emisiones de CO2 entre el 30% y el 70%. Finalmente, la conclusión más llamativa reveló que el confort térmico se podría conseguir mediante superficies radiantes WFG, con temperaturas interiores entre 25 y 27°C. La temperatura media radiante osciló entre 18 y 22°C, y la opinión media estimada osciló entre -0,5 y +0,1, clasificado en la escala térmica como “Ligeramente frío”. En general, esta tesis ha demostrado que un conjunto de ecuaciones algebraicas de un modelo matemático simplificado ayuda a los arquitectos e ingenieros a comprender el comportamiento complejo de las envolventes WFG dinámicas en una etapa temprana del proyecto. Una posible investigación futura podría desarrollar un modelo matemático completo y su integración en softwares comerciales para validar la hipótesis en un estado transitorio a lo largo de los años. ----------ABSTRACT---------- The building sector accounts for 40% of the European Union’s total energy consumption. The EU aims to be climate neutral by 2050, an economy with net-zero greenhouse gas emissions. The importance of energy eficiency in buildings is undeniable; the real estate sector is a growing investment asset that provides employment, income, and a high percent of gross domestic product of national economies. During the last decades architects have employed glass to attain not only a high degree of daylight, outdoor uniformity, and attractive aesthetics but thermal performance conditions in their projects. The transparent materials used in building envelopes contribute to increasing the heating and cooling loads of a building. The use of glass requires solving issues regarding heat gain, heat loss, and daylight. Water fow glazing (WFG) is a disruptive technology that includes glass as part of the Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) system. Water is transparent to visible wavelengths, though it captures most of the infrared solar radiation. As an alternative to fossil fuel-based HVAC systems, the absorbed energy can be transferred to a bufer tank for later use or dissipated as a means of free-cooling. This thesis contributes to the feld of advanced building facades by applying experimental research to WFG envelopes, which actively manage the energy flow and heat transfer between the building and its external environment. To evaluate this dynamic feature of WFG facades, a robust methodology based on simplifed mathematical models that predict the thermal behavior of WFG is applied. Simulation data were compared with actual data from real prototypes. The analyzed demonstrators enriched the methodology since they were built in diferent locations and given diferent orientations. In addition, some were to-scale mock ups, and others were real buildings: new construction and retroftting. Furthermore, diferent glass compositions and energy strategies, such as harvesting and rejection, were also evaluated. The most relevant fnding of this research verifes the dynamic condition of WFG through variable U value and g factor. In the South facade of the Sofa prototype, the U value ranges from 1.041 to 0.066, and the g-factor ranges from 0.592 to 0.24 when varying the mass fow rate from 0 L/m2 min to 2 L/m2 min. Furthermore, WFG technology can be coupled to water-to-water, or air-to-water heat pumps, increasing the Coeficient of Performance (COP). The DMAIA prototype showed an enhancing COP from 2.90 to 3.62, with an outdoor temperature of 35•C and a water chamber temperature of 18•C. The main conclusion of this thesis is that WFG contributes to energy eficiency, reducing CO2 emissions while increasing comfort inside glazed buildings. Life Cycle Assessment of WFG systems consistently showed a higher initial investment tan traditional glazing. The final Life Cycle Cost demonstrates that WFG systems are only better through the operational phase than traditional double-glazing. However, a Life Cycle Energy Assessment over 50 years concluded that energy savings between 36% and 66% and CO2 emissions reduction between 30% and 70% could be achieved. Finally, the most striking conclusion revealed that thermal comfort could be achieved using WFG radiant surfaces, with indoor temperatures between 25 and 27•C. The MRT ranged between 18 and 22•C, and the PMV ranged from -0.5 to +0.1, classifed in the thermal scale as “Slightly cold.” Overall, this thesis has shown that a set of algebraic equations from a simplifed mathematical model helps architects and engineers understand the complex behavior of dynamic WFG envelopes at an early stage of the project. Future research could develop a complete mathematical model and its integration in commercial software to validate the hypothesis in a transient state over the years