Para evaluar la eficiencia energética del edificio hace falta hacer una simulación energética del mismo. Una simulación energética implica un cálculo más detallado de los procesos de transferencia de calor que existen en el edificio. Y uno de los factores que más influyen en el comportamiento térmico del edificio es la cantidad de radiación directa solar que llega a los mismos. En la siguiente tesis doctoral se analizan las distintas metodologías que utilizan los programas de simulación existentes para el cálculo de radiación y sombras sobre el edificio. Como aportación a esta campo se estudia la aplicación del método llamado "Shadow Volumes" en este tipo de aplicaciones, con lo que se obtienen unos cálculos más rápidos y precisos de sombras sobre el edificio, y con ello una estimación más exacta a la radiación incidente sobre los mismos. / Sarabia Escrivà, EJ. (2010). Cálculo de sombras en programas de simulación térmica de edificios [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/7482

El propósito de esta Tesis Doctoral es evaluar la sensibilidad de los consumos energéticos de los edificios y de las condiciones de confort establecidas en su interior, frente a variaciones en los parámetros que intervienen en las dinámicas energéticas de intercambio que tienen lugar entre edificio y ambiente. La origen de la investigación es una interrogación sobre la importancia (sospechada) de las acciones de los usuarios sobre los consumos y sobre el mismo confort. La Tesis es constituida por cinco capítulos más una introducción, unas conclusiones, la bibliografía y los anexos. Los capítulos tratan en el orden: análisis del estado del arte, presentación de objetivos y metodología, descripción de los edificios evaluados, presentación de los resultados, discusión crítica de los resultados. La metodología elegida para el estudio es coherente con el análisis del estado del arte previo; a saber, actualmente se investigan las dinámicas energéticas de los edificios de tres maneras: evaluaciones teóricas, simulaciones por ordenador y monitorizaciones de edificios existentes. En esta Tesis se seleccionan cuatro edificios, representativos del entorno construido de la Comunidad de Cataluña dentro del Reino de España, y se les aplica en el orden: una evaluación básica teórica, cuatro procesos de simulación a través de cuatro diferentes simuladores, un análisis de sensibilidad de los resultados de las evaluaciones teóricas, y finalmente un análisis de sensibilidad comparativo de los procesos de simulación. De uno de los cuatro edificios también se presentan datos reales recogidos durante los años 2006 y 2007. Los proyectos y edificios estudiados son: el bloque de 14 viviendas para jóvenes de Les Franqueses del Valles (proyecto ejecutivo); el Centro de Naturaleza de Les Planes de Son (construido); la rehabilitación de la antigua Masía de Vallforners (proyecto de rehabilitación de edificio existente); el prototipo de escuela secundaria Protoceip (proyecto). La metodología de evaluación básica es la propuesta por R. Serra y A. Isalgué y utiliza ecuaciones de balance y variaciones discretas de las mismas. Los programas utilizados para las simulaciones dinámicas son Lider-Calener, Ecotect, Trnsys y Archisun. Todos los pasos descritos se centran en la evaluación del comportamiento térmico de los edificios, que resulta ser preponderante en magnitud de consumo sobre las demás formas de energía que intercambian edificio y ambiente. Los estudios de sensibilidad de las evaluaciones teóricas se conducen sobre los parámetros de las ecuaciones de balance utilizadas: el coeficiente de pérdidas por ventilación, el coeficiente de ganancias por radiación solar directa y el coeficiente de aportaciones en el interior del edificio. Los estudios de sensibilidad de las simulaciones se conducen sobre una selección racional de los numerosos parámetros que permite editar cada simulador, expuesta e justificada en la metodología. Los resultados muestran que un simulador (Archisun) y una tipología arquitectónica (Masía de Vallforners) resultan menos sensibles a las variaciones evaluadas. Por lo tanto, en la discusión y en las conclusiones se discuten la utilidad real de los simuladores y la filosofía que parece mejor utilizar en su desarrollo; también se discuten las diferencias evidentes entre tipologías arquitectónicas frente a la sensibilidad energética y se proponen los conceptos de robustez energética y de efusividad térmica global, como nuevas herramientas de calificación y certificación del correcto funcionamiento energético de los edificios. Finalmente, se discute sobre el concepto de confort en condiciones dinámicas, proponiendo futuras líneas de desarrollo e investigación. / The general proposal of this PhD Thesis is the evaluation of the sensitivity of buildings in the energy consumption and comfort sensation, depending on variations in the parameters that appear in the energy interchange dynamics between building and environment. The origin is a question over the relevance (supposed) of the user's actions on the energy consumption and comfort sensation. The Thesis has five chapters, an introduction, some conclusions, the bibliography and the annexes. The chapters treat, on order, the following arguments: state of art, objectives and methodology definition, case studies description, results presentation, critical discussion of the results. Selected methodology for the study is coherent with the previous state of art analysis; nowadays, in fact, there are tree ways to investigate the energy dynamics of buildings: heuristic evaluation, dynamic simulation by software and constructed building monitoring. In this work we select four buildings, representative of the built environment of Catalan Community in the Spain Kingdom, and apply to its in order: a basic evaluation, four simulation processes with four different simulators, a sensitivity analysis of the evaluation results, and finally a comparative sensitivity analysis of the simulation results. In one case, results present real assessment during years 2006 and 2007 too. Projects and buildings studied are: the block of 14 flat for young people located in Les Franqueses del Valles (executive project); the Nature Centre of the Planes de Son (constructed); the retrofit of the old Masía of Vallforners (retrofit of existing building); the prototype of the secondary school Protoceip (project). The heuristic evaluation methodology is proposed by R. Serra and A. Isalgué and use steadystate equations and its discrete variations. The software used for the simulations are Lider-Calener, Ecotect, Trnsys and Archisun. All the described evaluations, simulations and sensitivity analysis focalise the thermal behaviour of buildings that appears to be more relevant respect to the others forms of energy interchanges between building and environment. The sensitivity studies of the evaluations are conducted over the parameters that appear in the equations: the loss ventilation coefficient, the direct solar radiation gain coefficient and the internal gain coefficient. The sensitivity studies of the simulations are conducted over a selection of parameters that the software permit to edit, presented and justified in the methodology. Results show that one software (Archisun) and one architectural typology (old Masía of Vallforners) have a lower sensitivity to the considered variations. For this, in the discussion and conclusions we discuss the real usability of the software and the philosophy that seems to be better to use in its development; at the other hand, we discuss the difference between architectural typologies under the energy sensitivity point of view and propose the concepts of robust design and global thermal effusive, as new strategies of qualification and certification of the correct building performance. Finally, we discuss the concept of comfort in dynamical conditions, opening future lines of investigation and development.

[IT] Importanti cambiamenti sociodemografici, come la crescita della popolazione mondiale e l’urbanizzazione, stanno incrementando il fabbisogno di alimenti a livello mondiale. In contemporanea si sta assistendo ad una profonda trasformazione della dieta umana che tende sempre più a prediligere prodotti di origine animale, frutta e verdura al posto dei cereali. In quest’ottica, serre e stalle per l’allevamento intensivo possono ricoprire un ruolo di spicco, in quanto in grado di produrre tali alimenti con dei rendimenti decisamente maggiori rispetto a quelli che caratterizzano la produzione di vegetali in campo aperto e l’allevamento estensivo. Tra i vari fattori che contribuiscono ad incrementare la produttività di questi edifici agricoli vi è il controllo delle condizioni climatiche interne. Tale controllo del clima interno avviene, in molti casi, attraverso sistemi meccanici il cui utilizzo causa un considerevole consumo energetico che costituisce una minaccia per la transizione verso un’agricoltura più sostenibile. L’obiettivo generale di questa tesi è, quindi, di contribuire alla transizione verso un’agricoltura più sostenibile attraverso il miglioramento della prestazione energetica per il controllo climatico di serre e stalle per l’allevamento intensivo. Per raggiungere tale obiettivo, è stato adottato un triplice approccio basato su un’analisi di letteratura, campagne sperimentali di monitoraggio ed attività di modellazione energetica. L’analisi di letteratura è stata svolta con il fine di districare la complessa rete di relazioni esistente tra controllo climatico e altri domini di interesse della produzione agricola. Il nesso tra prestazione energetica e controllo climatico è stato approfondito analizzando dei set di dati reali acquisiti in una serra e due porcilaie attraverso campagne di monitoraggio. Questo nesso è stato ulteriormente approfondito adottando un approccio numerico che ha portato allo sviluppo e validazione di tre modelli di simulazione energetica per serre, per stalle da polli da carne e per stalle da suini da ingrasso. Ciascun modello di simulazione integra le principali caratteristiche tipiche di tali edifici per stimare con accuratezza i profili temporali delle condizioni ambientali interne e del consumo di energia termica ed elettrica. Le potenzialità di questi modelli nel migliorare la prestazione energetica e le condizioni climatiche di serre e stalle sono state esplorate analizzando specifiche problematiche relazionate al consumo energetico. Il modello energetico per le stalle per polli da carne, infatti, è stato adottato per valutare le potenzialità di un nuovo approccio per la progettazione energeticamente efficiente dell’involucro basato sull’energia primaria. Lo stesso modello è stato usato per valutare la variazione del consumo energetico causata dall’adozione di una strategia di ventilazione mirata al miglioramento del benessere dei polli allevati attraverso la riduzione della concentrazione interna di gas nocivi. Questa tesi contribuisce alla transizione verso una agricoltura più sostenibile fornendo nuove conoscenze e strumenti necessari al miglioramento della prestazione energetica per controllo climatico di serre e stalle per l’allevamento intensivo. Le analisi svolte, infatti, quantificano potenziali riduzioni del consumo energetico ottenibili attraverso l’implementazione di misure di efficientamento energetico, sia a livello di involucro (isolamento termico) che a livello di sistema di controllo climatico (ventilatori a portata variabile). Ulteriori misure per l’efficientamento energetico potrebbero essere valutate attraverso tali modelli che rappresentano importanti risultati di questa ricerca. Essi, infatti, potrebbero avere ricadute positive a livello locale in quanto vari portatori d’interesse (agricoltori, ingegneri e fabbricanti) potrebbero adottarli come strumenti di supporto alle decisioni per valutare nuove tecnologie, strategie e soluzioni mirate alla diminuzione del consumo energetico di serre e stalle. Questi nuovi modelli rappresentano anche un solido punto di partenza per future ricerche in questo campo. Futuri sviluppi potrebbero portare alla creazione di ulteriori moduli di calcolo per valutare altri aspetti, come la variazione della produttività, l’emissione di contaminanti e il benessere animale. Le nuove conoscenze generate in questa tesi potrebbero avere ricadute positive anche a livello globale, in quanto potrebbero rappresentare i fondamenti tecnici per nuovi quadri normativi e schemi di incentivi mirati al miglioramento della performance energetica di edifici agricoli controllati climaticamente attraverso una strategia di tipo top-down. / [ES] Importantes cambios sociodemográficos están conduciendo hacia un considerable crecimiento de la demanda de alimentos a nivel mundial. Al mismo tiempo se está observando una profunda transformación de la dieta humana, que tiende a incluir más productos de origen animal, fruta y verdura. Invernaderos y granjas de ganadería intensiva pueden desempeñar un papel principal, debido a que proporcionan los productos agrícolas necesarios con rendimientos notablemente mayores que los de la producción en campo abierto y de la ganadería extensiva. Entre los factores que contribuyen a incrementar la productividad de estos edificios agrícolas se sitúa el control de las condiciones climáticas internas. Dicho control se realiza a través de sistemas mecánicos cuyo uso causa un considerable consumo energético que representa una amenaza para la transición hacia una agricultura sostenible. El objetivo de esta tesis es contribuir a la transición hacia una agricultura más sostenible a través de la mejora de la prestación energética por control climático de invernaderos y granjas de ganadería intensiva. Para alcanzar dicho objetivo, se ha adoptado un enfoque triple basado en un análisis de literatura, campañas experimentales de monitorización y actividades de modelización energética. El análisis de literatura se ha llevado a cabo con el fin de desentrañar la red de relaciones existentes entre el control climático y otros dominios de interés de la producción agrícola. El nexo entre prestación energética y control climático se ha acometido analizando conjuntos de datos reales, adquiridos en un invernadero y dos granjas de cerdos. El análisis de dicho nexo se ha profundizado adoptando un enfoque numérico que ha llevado al desarrollo y validación de tres modelos de simulación energética para invernaderos y para granjas de pollos y cerdos. Las potencialidades de estos modelos para la mejora de las prestaciones energéticas y las condiciones climáticas se han explorado analizando problemáticas específicas. El modelo energético para granjas de pollos se ha adoptado para el diseño energéticamente eficiente de la envolvente de este tipo de edificio. El mismo modelo se ha usado para evaluar las variaciones de consumo energético causadas por la adopción de una estrategia de ventilación orientada a la mejora del bienestar de los pollos. Esta tesis contribuye a la transición hacia una agricultura más sostenible proporcionando nuevos conocimientos e instrumentos para la mejora de la prestación energética para el control climático de invernaderos y granjas. Los análisis realizados cuantifican potenciales disminuciones del consumo energético alcanzables a través de la implementación de medidas para la eficiencia energética a nivel de envolvente (aislamiento térmico) y a nivel de sistema de control climático (ventiladores con caudal variable). Ulteriores medidas para la eficiencia energética podrían evaluarse a través de dichos modelos que representan importantes resultados de esta investigación. Estos modelos podrían tener repercusiones positivas a nivel local, ya que muchas partes interesadas (agricultores, ingenieros y fabricantes) podrían adoptarlos como instrumentos de apoyo a la toma de decisiones para evaluar nuevas tecnologías y estrategias orientadas a la disminución del consumo energético. Estos nuevos modelos representan también un sólido punto de partida para futuras investigaciones en este campo. Futuros desarrollos podrían implementar nuevos módulos de cálculos para evaluar otros aspectos, como la variación de la productividad, la emisión de contaminantes y el bienestar animal. Los nuevos conocimientos generados en esta tesis podrían tener repercusiones positivas incluso a nivel global, puesto que podrían representar los fundamentos técnicos para nuevos marcos normativos y sistemas de incentivos orientados a la mejora de la prestación energética de edificios agrícolas controlados climáticamente a través de una estrategia de tipo top-down. / [CA] Importants canvis sociodemogràfics estan conduint cap a un considerable creixement de la demanda d'aliments a nivell mundial. Al mateix temps s'està observant una profunda transformació de la dieta humana, que tendeix a incloure més productes d'origen animal, fruita i verdura. Hivernacles i granges de ramaderia intensiva poden exercir un paper principal, pel fet que proporcionen els productes agrícoles necessaris amb rendiments notablement majors que els de la producció en camp obert i de la ramaderia extensiva. Entre els factors que contribueixen a incrementar la productivitat d'aquests edificis agrícoles se situa el control de les condicions climàtiques internes. Aquest control del clima intern es realitza a través de sistemes mecànics, l'ús dels quals causa un considerable consum energètic que representa una amenaça per a la transició cap a una agricultura sostenible. L'objectiu general d'aquesta tesi és contribuir a la transició cap a una agricultura més sostenible a través de la millora de la prestació energètica per al control climàtic d'hivernacles i granges de ramaderia intensiva. Per a aconseguir aquest objectiu, s'ha adoptat un enfocament triple basat en una anàlisi de literatura, campanyes experimentals de monitoratge i activitats de modelització energètica. L'anàlisi de literatura s'ha dut a terme amb la finalitat de desentranyar la complexa xarxa de relacions existents entre el control climàtic i altres dominis d'interés de la producció agrícola. El nexe entre prestació energètica i control climàtic s'ha analitzat amb conjunts de dades reals, adquirides en un hivernacle i dues granges de porcs. L'anàlisi d'aquest nexe s'ha aprofundit encara més adoptant un enfocament numèric que ha portat al desenvolupament i validació de tres models de simulació energètica per a hivernacles i per a granges de pollastres i porcs d'engreixament. Les potencialitats d'aquests models per a la millora de les prestacions energètiques i les condicions climàtiques s'han explorat analitzant problemàtiques específiques. El model energètic per a granges de pollastres s'ha adoptat per al disseny energèticament eficient de l'envolupant d'aquesta mena d'edifici. El mateix model s'ha usat per a avaluar les variacions de consum energètic causades per l'adopció d'una estratègia de ventilació orientada a la millora del benestar dels pollastres. Aquesta tesi contribueix a la transició cap a una agricultura més sostenible proporcionant nous coneixements i instruments per a la millora de la prestació energètica per al control climàtic d'hivernacles i granges. Les anàlisis realitzades quantifiquen potencials disminucions del consum energètic assolibles a través de la implementació de mesures per a l'eficiència energètica tant a nivell d'envolupant (aïllament tèrmic) com a nivell de sistema de control climàtic (ventiladors amb cabal variable). Ulteriors mesures per a l'eficiència energètica podrien avaluar-se a través d'aquests models que representen importants resultats d'aquesta investigació. Aquests models podrien tindre repercussions positives a nivell local, ja que moltes parts interessades (agricultors, enginyers i fabricants) podrien adoptar-los com a instruments de suport a la presa de decisions per a avaluar noves tecnologies i estratègies orientades a la disminució del consum energètic d'hivernacles i granges. Aquests nous models representen també un sòlid punt de partida per a futures investigacions en aquest camp. Futurs desenvolupaments podrien implementar nous mòduls de càlculs per a avaluar altres aspectes, com la variació de la productivitat, l'emissió de contaminants i el benestar animal. Els nous coneixements generats en aquesta tesi podrien tindre repercussions positives fins i tot a nivell global, ja que podrien representar els fonaments tècnics per a nous marcs normatius i sistemes d'incentius orientats a la millora de la prestació energètica d'edificis agrícoles controlats climàticament a través d'una estratègia de tipus top-down. / [EN] Socio-demographic trends, such as population growth and urbanization, are leading to a significant increase of the world food demand. At the same time, there is a shift of the human diet toward livestock products, vegetables, and fruit rather than cereals. Greenhouses and livestock houses can play a primary role since they can supply the necessary agricultural products with higher yields than on-field crop production and extensive animal farming. One way in which productivity is enhanced in these agricultural buildings is by a fine-tuned control of the indoor climate conditions. For this purpose, mechanical climate control systems are often adopted, but they entail a considerable energy consumption whose estimated increase may jeopardize the transition toward a sustainable agriculture. The overall objective of this thesis, hence, is to contribute to the transition toward a sustainable agriculture by improving the energy performance for climate control of greenhouses and livestock houses. To achieve this objective, a three-pronged approach was taken involving a literature review, experimental monitoring campaigns, and energy modelling activities. The literature review was performed to unpick the tangle of mutual relations between climate control and other domains of agricultural production. The nexus between energy performance and climate control was investigated analyzing real datasets acquired through monitoring campaigns performed in a greenhouse and two pig houses. This nexus was further studied adopting a numerical approach which led to the development and validation of three energy simulation models for greenhouses, broiler houses and pig houses. Each simulation model integrates the main features typical of greenhouses and livestock houses to estimate the time profiles of lumped indoor climate conditions and thermal and electrical energy consumption. The opportunities in improving the energy performance and the indoor climate conditions provided by the developed energy models were explored by analyzing specific energy-related problems. The broiler house energy model was adopted to evaluate the potentialities of a new primary energy approach for the energy-efficient envelope design of broiler houses. The same model was applied to evaluate the variation of energy consumption achieved by an improved ventilation strategy aimed at enhancing broiler welfare by reducing indoor noxious gas concentrations. This thesis contributes to the transition toward a more sustainable agriculture providing new knowledge and tools necessary for improving the energy performance for climate control of greenhouses and livestock houses. The performed analyses, in fact, quantify potential decrease of energy consumption achievable through the implementation of energy-efficient measures at both envelope -thermal insulation- and climate control system -variable angular speed fans- level. Further energy-efficient measures could be evaluated adopting the developed energy simulation models that are valuable outputs of this investigation. These models could have a positive impact at local level since stakeholders -farmers, engineers, and manufacturers- could adopt them as decision support tools for the evaluation of new technologies, strategies and solutions aimed at decreasing the overall energy consumption of greenhouses and livestock houses. These novel models represent also a robust starting point for future research in this field. Future advances may lead to the development of further calculation modules to evaluate other aspects of greenhouses and livestock houses, such as productivity variations, contaminant emissions and animal welfare. The new knowledge generated in this thesis could have positive impacts also at global level since it may represent the technical basis for new normative frameworks and incentive schemes aimed at improving the energy performance of climate-controlled agricultural buildings through a top-down approach. / Costantino, A. (2021). Improving Climate Control and Energy Performance in Greenhouses and Livestock Houses: Modelling Advances and Experimental Results [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178457