Modelo de aproximación analítica de las temperaturas en las bodegas. Aplicación a grandes

281 Pages·2016·5.2 MB·Spanish

UNIVERSIDAD POLITÉNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA AGRÓNOMICA
ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA AGROFORESTAL

Modelo de aproximación analítica de las
temperaturas en las bodegas. Aplicación
a grandes conjuntos de datos

TESIS DOCTORAL

José Francisco Romero García
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Dirigida por
Ignacio Cañas Guerrero
Doctor Ingeniero Agrónomo

Madrid, Noviembre de 2015
Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el día ……
de............................... de………...

Presidente D…………………………………………………

Vocal D……………………………………………………….

Vocal D……………………………………………………….

Vocal D……………………………………………………….

Secretario D………………………………………………….

Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día …… de......................... de………… en Madrid.

Calificación: ………………………………..

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO
Agradecimientos

Como no puede ser de otra manera debo comenzar agradeciendo la labor del director de la tesis,
Ignacio Cañas, que ha tenido la paciencia necesario para lograr la finalización de esta tesis, también
sus sabios consejos, sus ideas y su tiempo.
Agradezco también a las personas del Departamento de Construcción y Vías Rurales, que a lo largo
de estos años han sido muchas las que he conocido aunque les he tratado poco. Siempre he
encontrado una sonrisa y una ayuda cuando ha sido necesario. Entre los más recientes debo incluir
a Fernando Arredondo. De modo, especial quiero dar las gracias a Fernando Ruíz Mazarrón.
Tengo que dar gracias de modo singular a las personas que durante estos años me han insistido una
y otra vez en que acabe la tesis, Pilar Llorente y Rosario Heras. Su insistencia ha sido un apoyo muy
grande para intentar acabar.
Es de justicia agradecer a mis compañeros del Colegio Retamar lo grato e interesante que hacen el
trabajo todos los días, singularmente a D. Tomás García. Es razonable expresarlo de modo espacial
a su director, José Luis Alier, pues no sólo no he encontrado obstáculos para poder realizar esta
tesis, si no que me han apoyado para poder llegar hasta aquí. También debo mencionar a José Félix
Huaura.
También debo dar gracias a mis alumnos, de los cuales he aprendido mucho. Ellos son un punto de
referencia en mi vida y un estímulo en el cotidiano quehacer. Debo singularizar a Carlos Pardo,
Pablo Luis de la Fuente, Javier Infante, Francisco y Pedro Fernández Gaspar, Jaime Medina, Luis
Sánchez, Jorge Poveda y Borja de Olazabal. Como no, incluir a Álvaro Franco y Yang Jiho.
También tengo que mencionar a Jaime Cernuda, Rodrigo Aranguren, Ignacio Peña e Ignacio
Martínez. Y debo pedir perdón pues seguro que me olvido de alumnos muy importantes, de los que
aprendí mucho y que las prisas me impiden recordar.
Debo agradecer su amistad a Juan León, han sido muchos años trabajando en las Olimpiadas
Internacionales de Física, he aprendido mucho de él.
Hay que dar las gracias a los padres, y lo hago de modo especial, ya que mi madre defendió su tesis
un mes antes de que naciera yo. La deuda es con los dos y con todos mis hermanos.
Y quiero acabar con un agradecimiento general a aquellas personas que son y han sido muy
importantes en mi vida y que por olvido no he incluido en estas líneas.
Resumen

Esta tesis continúa las líneas de investigación iniciadas en el 2004. El interés principal era el estudio
de las bodegas subterráneas tradicionales para tratar de fomentar la construcción bioclimática y
sostenible en el medio rural. Esta línea se amplió para estudiar más tipos de bodegas tradicionales,
ya que pueden ser una buena solución constructiva para disminuir el consumo energético.
Actualmente, al aumentar la preocupación por el impacto ambiental de la producción energética, es
muy adecuado estudiar como las soluciones tradicionales consiguen unas buenas condiciones
higrotérmicas con un uso de los recursos energéticos muy pequeño.

El número de resultados experimentales de los que disponemos para nuestro estudio es muy
grande. Desde los inicios se han monitorizado más de ochenta y cinco bodegas. En concreto,
hemos dispuesto para nuestro estudio de 2465 archivos de datos, procedentes de 395 sensores
diferentes, y esto son más de 32 millones de registros, lo que supone mas de 120 millones de datos
de temperatura y humedad. En la bibliografía consultada no hemos encontrado ningún estudio que
usa tal cantidad de datos. Esto justifica que hayamos usado Matlab©, ya que nos permite tratar
rápidamente grandes conjuntos de datos. Hemos usado esta capacidad para estudiar muchas
bodegas y ver que modelos para la predicción de temperaturas se ajustan mejor.

Primeramente hemos tratado cada serie de datos para asegurarnos la validez delos mismos. Luego
hemos calculado series de datos con la media por hora y con la media por día. También hemos
computado el año medio. De cada una estos conjuntos hemos realizado una sucesión de ajustes,
comenzado por una serie de Fourier de 8 términos para determinar las posibilidades de ajuste.
Luego hemos seguido con una serie de Fourier de un término, lo que nos ha permitido conocer
cuál era la bondad del ajuste que podíamos conseguir. Hemos ajustado un modelo sencillo con
indeterminación en la frecuencia, para ver si los efectos predominantes eran los anuales. Y hemos
ajustado este modelo con periodo anual para poder estudiar sus resultados y como se ajusta a los
modelos de predicción de temperaturas subterráneas. Esta supone que de cada sensor de
temperatura se han computado tres series de datos, con cuatro ajustes a cada una de ellas. Para todo
el conjunto de datos son más de 1200 series computadas, con casi cinco mil ajustes de modelos.

Aunque hemos centrado el estudio en las bodegas subterráneas, también hemos sugerido unos
posibles modelos para los otros tipos de bodegas. En este tipo de bodegas hemos realizado más
ajustes, para poder estudiar la modelización. Para reducir los efectos de los valores atípicos, hemos
usado técnicas de regresión robusta, así hemos conseguido reducir bastante los valores de la raíz de
error cuadrático medio.

Pensamos que de las conclusiones extraídas de esta tesis se puedan iniciar otros caminos para
aprovechar el inmenso conjunto de datos obtenidos estos años. También esperamos que nuestras
conclusiones contribuyan al aumento de las construcciones bioclimáticas.

1
Abstract

This thesis continues the research started in 2004. The primary interest was to study the traditional
underground wine cellars in order to try to encourage bioclimatic and sustainable construction in
rural areas. This investigation has been extended subsequently to study more types of traditional
wineries, as they can be a good constructive solution to reduce energy consumption. At present,
when there is an increasing concern about the environmental impact of energy production, it is
appropriate to study how traditional solutions get a good hygrothermal conditions with very little
use of energy resources.

The number of experimental results that we have for our study is very large. Since the beginning
were monitored over eighty-five wineries. Specifically, we have arranged for our study of 2465 data
files, from 395 different sensors, and this is reaching almost a 33 million of records, nearly 130
million of temperature and humidity data. In the literature we did not find any study that used so
much data. This justifies that we have used Matlab©, allowing us to quickly process large data sets.
We used this ability to study many wineries and see that models predicting temperatures to fit
better.

First we treated each data series models to ensure the validity thereof. Then we calculated data sets
with the average hourly and average per day. We have also computed the average year. In each of
these sets we have made a series of adjustments, started by a Fourier series of 8 terms to determine
the possible settings. We then followed with a series of Fourier of one term, which has allowed us
to know what the goodness of fit we could get. We adjusted a simple model with uncertainty in
frequency, to see whether the predominant effects were annual. And this model we adjusted
annually to study the results and how it fits into the models predicting temperatures underground
period. This means that each temperature sensor computed three sets of data, with four settings to
each. For the entire data set are computed over 1200 series, with almost five thousand fittings
models.

Although we have also focused the study on the underground wine cellars, so we have suggested a
possible model for other type of wineries. In such a warehouse we have made more adjustments to
the modelling study. We used robust regression techniques to reduce the effects of outliers and we
have managed quite well to reduce the values of the root mean square error.

We think of the conclusions of this thesis may be undertaken in other ways to harness the immense
data set obtained these years. We also hope that our findings will contribute to increase bioclimatic
buildings.

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Índice
1. Introducción y antecedentes ................................................................................................................... 6
Aproximación histórica ................................................................................................................................ 7
Investigaciones previas y revisión de la bibliografía. ............................................................................... 9
2. Objetivos.................................................................................................................................................. 20
3. Materiales y métodos ............................................................................................................................. 22
Materiales ..................................................................................................................................................... 22
Hardware ................................................................................................................................................. 22
Datos ........................................................................................................................................................ 24
Métodos ........................................................................................................................................................ 57
Modelos analíticos .................................................................................................................................. 57
Software ................................................................................................................................................... 68
Comprobación de la validez de los datos ........................................................................................... 70
4. Resultados y discusiones ....................................................................................................................... 72
5. Conclusiones ........................................................................................................................................... 85
6. Trabajos futuros ..................................................................................................................................... 87
7. Bibliografía .............................................................................................................................................. 88
Anexo 1.- El estudio de las temperaturas del subsuelo desde el principio hasta Fourier. ................ 112
Anexo 1.1 Termómetros y medición de temperaturas. ..................................................................... 112
Anexo 1.2 Los primeros estudios termométricos ............................................................................... 118
Anexo 1.3 Constancia de las temperaturas en lugares subterráneos. .............................................. 122
Anexo 1.4 Boyle, Mariotte, Lambert y Forbes .................................................................................... 123
Anexo 1.5 Escalas termométricas de la época de Lambert. .............................................................. 129
Anexo 1.6 Medidas de Forbes. .............................................................................................................. 130
3
Anexo 1.7 Breve cronología de la evolución del concepto de energía. ........................................... 139
Anexo 2 Datos .............................................................................................................................................. 140
Anexo 2.1 Ribera de Duero ................................................................................................................... 140
Anexo 2.2 Rioja ........................................................................................................................................ 155
Anexo 2.3 Castilla la Mancha ................................................................................................................. 158
Anexo 2.4 Jerez ....................................................................................................................................... 161
Anexo 2.5 Cavas ....................................................................................................................................... 165
Anexo 3 Resultados por bodegas ............................................................................................................... 169
Anexo 3.1. Ribera de Duero .................................................................................................................. 169
Anexo 3.1.1 Atauta 1 .......................................................................................................................... 169
Anexo 3.1.2 Atauta 2 .......................................................................................................................... 180
Anexo 3.1.3 Atauta 3 .......................................................................................................................... 185
Anexo 3.1.4 Atauta 4 .......................................................................................................................... 192
Anexo 3.1.5 Atauta 5 .......................................................................................................................... 193
Anexo 3.1.6 Atauta 6 .......................................................................................................................... 194
Anexo 3.2 Rioja ........................................................................................................................................ 195
Anexo 3.2.1 Antigua Usanza ............................................................................................................. 195
Anexo 3.2.2 López Heredia ............................................................................................................... 196
Anexo 3.2.3 Martínez Lacuesta ......................................................................................................... 197
Anexo 3.2.4 Olabarri ........................................................................................................................... 203
Anexo 3.3 Castilla la Mancha ................................................................................................................. 208
Anexo 3.3.1 Albalate Álvaro .............................................................................................................. 208
Anexo 3.3.2 Albalate_Casa_Paulino................................................................................................. 212
Anexo 3.3.3 Albalate María ................................................................................................................ 216
Anexo 3.4 Jerez ........................................................................................................................................ 220
Anexo 3.4.1 Barbadillo (arboledilla) ................................................................................................. 220
Anexo 3.4.2 Barbadillo (pastora) ...................................................................................................... 248
Anexo 3.4.3 Fernando Castilla .......................................................................................................... 249
4
Anexo 3.5 Cavas ....................................................................................................................................... 250
Anexo 3.5.1 Alsina y Sarda ................................................................................................................ 250
Anexo 3.5.2 Gramona Cava .............................................................................................................. 254
Anexo 4 Programas hechos ........................................................................................................................ 258

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1. Introducción y antecedentes
Cuando mitad de la década de los 70 se produjo la crisis de la energía, se despierta un gran interés
por las construcciones subterráneas y aumenta el número de estudios que se realizan sobre cómo
varían las temperaturas en el subsuelo con la profundidad y con el tiempo. Es verdad que todos los
fundamentos teóricos estaban puestos antes, pero no es hasta este momento cuando se empiezan a
ver utilidades prácticas a estos estudios sobre las temperaturas subterráneas.
Ahora, comenzado el siglo veintiuno, tenemos también un repuntar en el número y la calidad de los
estudios que se realizan sobre este tema. Un primer motivo es la eficacia energética, cuanto menos
se gaste, más barato es producir… Pero también importan los motivos ecológicos, interesa
disminuir la producción de gases efecto invernadero. Por eso es conveniente usar la inercia térmica
en las construcciones, aprovechar los periodos diarios y anuales de calentamiento y enfriamiento.
Para todo esto resulta necesario conocer muy bien como varían las temperaturas subterráneas y
utilizar su variación en las construcciones. Las bodegas tradicionales llevan mucho tiempo
aprovechando las amortiguaciones y los retardos que se producen en las temperaturas. Su estudio
nos puede ayudar a mejorar la construcción de nuevas bodegas o a utilizar las construcciones ahora
abandonadas, que con lo conveniente rehabilitación puede tener una eficiencia energética grande.

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Aproximación histórica

De las ecuaciones actuales a Forbes
Cuando se quieren conocer las temperaturas subterráneas, en la ingeniería agroalimentaria, es
frecuente acudir a varias fórmulas, analíticas o semiexperimentales. Los autores acuden a otros
anteriores, en el tiempo y a veces en el espacio, sin preocuparse si fueron los iniciadores o no de
estos estudios. El objetivo de este capítulo es, por tanto, clarificar a quién debemos estas
ecuaciones.
Lo primero que debemos saber es que la ecuación con la que se estudian las temperaturas
subterráneas, origen de todas las variaciones, está en las discusiones científicas entabladas en
Edimburgo por Lord Kelvin y James David Forbes. No obstante, es Joseph Fourier el primero, a
principios del siglo XIX, que establece una relación matemática entre la temperatura y la
profundidad. En su estudio profundizará Siméon-Denis Poisson aunque quien la aplicará con datos
experimentales será Forbes cuando los publique en 1846.
Para comprender el proceso que conduce hasta Fourier y Forbes a la fórmula de las temperaturas
subterráneas seguimos dos vías: estudiar, por un lado, desde la actualidad hacia el pasado y, por
otro, cómo la preocupación por las temperaturas subterráneas lleva a avanzar la termodinámica.
Los artículos, de los últimos veinte años, donde usan la fórmula para las temperaturas subterráneas
siguen dos caminos. Uno es el de los que citan a LABS (1981) cuyos antecesores de Labs son
KUSUDA y ACHENBACH (1965) que citan a su vez libros como el de CARSLAW y JAEGER
(1947) y el INGERSOLL Y ZOBEL (1913). El otro camino es el que sigue BAGGS (1983). Tanto
éste como Labs son arquitectos. En algunos ámbitos es más común citar a Baggs que a Labs a pesar
de ser éste el primer difusor. Los fundamentos de ambos estudios son casi los mismos: de hecho,
Baggs cita a Labs y ambos dan una ecuación para predecir las temperaturas. Baggs busca su
fundamento en el libro editado por VAN WIJK (1963), cuyos capítulos que hacen referencia a la
variación de temperaturas son escritos por De Vries. Éste, a su vez, había publicado unos años
antes un estudio sobre la integración de la ecuación diferencial de calor con las condiciones de
frontera de variaciones periódicas de la temperatura, (DE VRIES, 1957) en el que su análisis es más
complicado y tiene en cuenta las posibles variaciones de la difusividad térmica. Para ello, se apoya
en unas estudios hechos por LETTAU (1951; 1954) quien investigó analíticamente el balance de
calor de la superficie de la tierra bajo los supuestos de que la radiación es una función armónica del
tiempo, la evaporación es constante y simplificando el flujo de calor en la tierra y entre la atmósfera
y la superficie. Con estas condiciones se obtienen las temperaturas en función del tiempo y de la
profundidad. Pero también los autores antes citados, KUSUDA y ACHENBACH (1965), se
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