Análisis Energético y de Ciclo de Vida de una Vivienda Bioclimática en Sitges

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1 Análisis Energético y de Ciclo de Vida de una Vivienda Bioclimática en Sitges IIT-4-65I Xavier García Casals Diciembre 24 1

2 INDICE 1. Introducción, 2 2. Elementos bioclimáticos, 3 3. Configuración de la vivienda, 4 4. Datos climáticos, 9 5. Análisis de sombreamientos, Análisis energético según la NBE CT 79, 2 7. Análisis energético según medidas de consumos, Criterio de confort térmico, Simulación dinámica de la vivienda, Valoración de aportes solares pasivos, Configuración inicial, Configuración actual, Calibrado del modelo, Efecto del régimen de operación sobre la demanda de calefacción, Efecto del horizonte recrecido, Demanda de calefacción y refrigeración por espacios, Demandas de calefacción y refrigeración mensuales, Efecto de diversas modificaciones sobre la envolvente, Aislamiento de la Habitación de juegos, Doble acristalamiento en la Habitación de Juegos, Doble acristalamiento en toda la vivienda, Aislamiento en toda la vivienda, Análisis de ciclo de vida, Conclusiones, Referencias, 72 1

3 1. Introducción Análisis Energético y de Ciclo de Vida de una Vivienda Bioclimática en Sitges En este estudio vamos a realizar una análisis energético de una vivienda unifamiliar aislada, construida en 1978, y emplazada en Sitges (Barcelona). En estudio energético se va a enfocar desde diversos puntos de vista, yendo desde un análisis de las actuaciones de los elementos de sombreamiento hasta una análisis de ciclo de vida incluyendo la embodied energy (energía almacenada en los materiales a través de sus procesos de construcción y puesta en obra), pasando por una análisis desde el punto de vista de la normativa actual (NBE CT 79), y una simulación dinámica de la vivienda calibrada con medidas de consumo real, que entre otras cosas nos permita realizar una valoración precisa del aporte solar pasivo a la calefacción de la vivienda y de las distintas modificaciones propuestas en la misma. Además de la configuración actual de la vivienda, analizaremos los efectos de las modificaciones introducidas hasta la fecha y de aquellas modificaciones planificadas como es el aumento del nivel de aislamiento en la habitación de juegos. Así mismo se considerará el efecto de la modificación del horizonte desde el inicio de la vida útil de la vivienda hasta la actualidad, en que dicho horizonte se ha visto aumentado tanto por el crecimiento de árboles como por la presencia de nuevas edificaciones. Adicionalmente, y a pesar de no estar planificadas, mostraremos el efecto del aumento del nivel de aislamiento en toda la vivienda y la sustitución de las ventanas simples por acristalamiento doble. Debe destacarse que la vivienda considerada es anterior a la entrada en vigor de la normativa actual (NBE CT 79), por lo que no estaba obligada a cumplir los niveles de aislamiento impuestos por esta normativa. Sin embargo, la vivienda incorpora una cantidad importante de elementos bioclimáticos que no están considerados en la normativa actual (NBE CT 79), y que ni tan solo se encuentran completamente considerados en la nueva propuesta de normativa (Código Técnico de la Edificación: CTE) de próxima aparición, y que hacen que su demanda energética se encuentre dentro de valores razonables incluso para las viviendas construidas en la actualidad. Además, la vivienda está construida con criterios muy cercanos a lo actualmente conocido como bioconstrucción, lo cual se traduce en un bajo valor de su embodied energy. La situación legislativa actual relativa a las actuaciones energéticas de los edificios sigue en nuestro país gobernada por la Norma Básica de la Edificación NBE CT 79 de 1979 (Ref.[1]). Esta normativa sólo limita la demanda energética de calefacción producida mediante las pérdidas por transmisión a través de la envolvente en régimen estacionario. La física asociada al comportamiento térmico de un edificio es considerablemente más compleja que el comportamiento parcial que pretende regular la NBE CT79, y los niveles de consumo energético permitidos por la NBE CT79 son excesivos desde el punto de vista de los requerimientos actuales de desarrollo sostenible. Desde el punto de vista Comunitario, el importante problema del consumo energético en la edificación, que supone el 4 % del consumo final de energía 2

4 en la Unión Europea, se ha tratado en dos directivas. En primer lugar, la 93/76/CEE de 1993, dedicada a la eficiencia energética, ya hacía mención específica de la importancia de acotar el consumo energético en la edificación, proponiendo herramientas como la certificación energética para conducir dicho sector hacia la sostenibilidad. Posteriormente, y a la vista de las grandes divergencias todavía existentes entre los distintos socios comunitarios, la 22/91/CE del 22, dedicada exclusivamente a la eficiencia energética en el sector de la edificación, acota mucho más los requerimientos de regulación y certificación en este sector, estableciendo en el 26 el límite de transposición de la misma a los estados miembros. En España, el tortuosos proceso de transposición de estas exigencias comunitarias y de actualización de la NBE CT79 cristalizará, previsiblemente a principios del 25, en la publicación de una serie de Reales Decretos que establezcan el Código Técnico de la Edificación (normativa que en su aspecto energético sustituirá a la NBE CT 79) (Ref. [2] y [3]), la actualización del RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios) y el procedimiento de certificación energética. Según los responsables del desarrollo del nuevo CTE, su aplicación debería redundar en una reducción de la demanda energética para climatización de los edificios del orden del 25 % (Ref.[4]), sin embargo, según otros estudios, la sustitución de la aplicación del CTE puede incluso conducir a un incremento de la demanda energética permitida en los edificios (Ref.[6],[8] y [9]). A pesar de las mejoras introducidas en el CTE, tanto esta normativa como la propuesta de certificación energética de los edificios siguen presentando importantes limitaciones [Ref.[5], [6], [7], [8], y [9]), haciendo que nuestro país siga estando muy alejado de los valores de consumo energético permitidos en los edificios en otros países de nuestro entorno. En este sentido, resulta interesante el análisis energético de una vivienda anterior a toda esta normativa pero diseñada teniendo en cuenta muchos más aspectos bioclimáticos de los considerados por la normativa actual e incluso por la normativa de próxima implementación en nuestro país (CTE). 2. Elementos bioclimáticos Como ya hemos indicado anteriormente, la vivienda analizada en este estudio, a pesar de ser anterior a la NBE CT79 y no incorporar por tanto sus exigencias mínimas de aislamiento, presenta una demanda energética comparable o inferior a la exigida por la regulación actual, gracias a la incorporación de estrategias bioclimáticas en su diseño y operación. Esto es especialmente cierto para el régimen de verano (no regulado por la NBE CT79), donde la demanda energética e esta vivienda es considerablemente inferior al de otras viviendas desarrolladas bajo el paraguas de la NBE CT 79 en el emplazamiento climático considerado. 3

5 Los principales elementos bioclimáticos incorporados en esta vivienda son los siguientes: - Protecciones solares de huecos - Orientación - Ganancia solar pasiva con grandes huecos orientados al sur. - Aprovechamiento inercial con muros de carga interiores y contacto directo con terreno. - Disposición de espacios tampón a N (garaje y recibidor), E (fregadero) y W (trastero). - Disposición de espacios menos ocupados, y por tanto con menores exigencias de climatización en N, E y W. - Aprovechamiento de vientos predominantes en porches sur. 3. Configuración de la vivienda La vivienda considerada, con unos 148 m 2 de superficie útil habitada (sin incluir espacios tampón), está constituida por dos plantas de desigual ocupación, con una tipología rectangular, orientada con su eje principal normal al sur, y constituida por 18 zonas térmicas interiores. Constructivamente, la vivienda está formada por muros de carga de medio pie (formato catalán: 14 cm) de ladrillo perforado. La gran mayoría de los muro de carga exteriores están dotados de una cámara de aire de 1 cm y un tabique formado por un ladrillo hueco de 4 cm en su cara interior. Sin embargo, algunos de los muros de carga exteriores (espacios tampón, muros interiores a la vivienda y muros exteriores en la habitación de juegos) carecen de la cámara de aire. La tabiquería interior es a base de ladrillo cerámico hueco de 4 cm de espesor. Los forjados interiores son de unos 25 cm de espesor y están formados por viguetas de hormigón armado y bovedilla cerámica. Las cubiertas van dotadas de aislamiento térmico por encima del nivel del forjado, que en el caso de forjado horizontal está formado por 5 cm de fibra de vidrio, y en caso de forjado inclinado por 6 cm de hormigón celular. La solera es de contacto directo con el terreno mediante un encachado de grava de 15 cm. Los acabados interiores son enlucidos de yeso en techos y mayoría de paredes, si bien algún muro de carga lleva enfoscado de mortero de cemento, y baldosa cerámica en el suelo. Cocina y baños van acabados con azulejo cerámico hasta el nivel del techo. La carpintería (puertas y ventanas) es de madera, con acristalamiento sencillo en todos los huecos. Por tanto, como vemos, la vivienda se aleja poco de lo que actualmente se conoce como bioconstrucción, lo cual se verá plasmado en su reducido valor de embodied energy. Los coeficientes de transferencia térmica en régimen estacionario de los distintos cerramientos son los siguientes: Tabiques interiores: Muro de carga con cámara de aire: 4 U = 2,56 2,82 W/m 2 K U = 1,53 W/m 2 K

6 Muro de carga sin cámara de aire: Forjado interior: Forjado exterior sin aislamiento: Cubierta con forjado inclinado: Cubierta con forjado inclinado y falso techo: Cubierta con forjado plano y tabiques palomeros: Puente térmico perimetral contacto terreno: U = 2,41 W/m 2 K U = 2,3 W/m 2 K U = 2,8 W/m 2 K U =,91 W/m 2 K U =,78 W/m 2 K U =,57 W/m 2 K U s =,93 W/mK Huecos acristalados (acristalamiento simple y marco madera): - Transmitacia marco: U = 2,5 W/m 2 K - Transmitancia vidrio: U = 5,8 W/m 2 K - Factor ganacia solar vidrio: g =,87 La vivienda está en la actualidad dotada de un sistema de calefacción mediante caldera de gas natural y radiadores. En sus orígenes el sistema de calefacción era eléctrico. La vivienda también cuenta con un hogar para calentamiento del salón. La vivienda no está dotada de sistemas de refrigeración. En la Figura-1 podemos observar el alzado sur de la vivienda con sus ventanales de ganancia solar directa y la actuación de sus protecciones solares sobre las 5 PM a mediados de Agosto. Como puede apreciarse, las protecciones solares protegen completamente los huecos tanto de la planta baja como de la planta alta durante los meses de verano, con una gran reducción de la carga térmica de refrigeración. En la Figura-2 mostramos el horizonte sur recrecido desde la construcción de la vivienda por el desarrollo de la vegetación. Además, el horizonte se ha visto considerablemente recrecido al este por la reciente construcción de otra vivienda. En la Figura-3 mostramos la proyección de sombras a mediodía solar del solsticio de invierno. En este figura puede apreciarse la gran proyección de sombras del horizonte sur, que sin embargo no llega (al mediodía) a alcanzar a la vivienda. También en esta figura puede apreciarse una ligera proyección de sombras de los dispositivos de protección solar sobre los huecos de ganancia directa, consecuencia de un ligero sobredimensionado de los mismos. 5

7 Figura-1: Alzado sur de la vivienda. Proyección de sombras y actuación de las protecciones solares sobre los huecos de ganancia directa a las 5 PM del mes de Agosto. Figura-2: Horizonte sur recrecido por el desarrollo de la vegetación. 6

8 Figura-3: Proyección de sombras en la fachada sur al medio día solar del solsticio de invierno. En la Figura-4 mostramos las fachadas N-E de la vivienda. La estancia con el gran ventanal orientado al norte (habitación de juegos), es la que carece de cámara de aire en su muro E y de aislamiento en su forjado norte exterior. Podemos observar la disposición de espacios tampón (garaje al norte y fregadero al este). En la Figura-5 mostramos el trastero recientemente añadido a la vivienda en su fachada W. 7

9 Figura-4: Fachadas N y E mostrando la estancia (habitación de juegos) de la cual se analizará el efecto de incrementar el nivel de aislamiento. Figura-5: Trastero recientemente añadido en la fachada W de la vivienda. 8

10 4. Datos climáticos Análisis Energético y de Ciclo de Vida de una Vivienda Bioclimática en Sitges La vivienda está emplazada a unos 3 km de Sitges. Y por tanto sometida a un clima mediterráneo. Sin embargo, la vivienda no se encuentra en línea de costa como Sitges, sino desplazada hacia en interior en un valle ligeramente apantallada de los efectos marinos directos (Figura-6). Figura-6: La vivienda se encuentra en un emplazamiento de clima mediterráneo. Figura-7: La vivienda se encuentra en el municipio de San Pere de Ribes, desplazado 3 km hacia el interior de la línea de costa. En la Figura-8 mostramos las variables climáticas medias mensuales (temperatura seca, humedad relativa e irradiación solar total en horizontal) que hemos tomado de partida para la generación del año meteorológico tipo (TMY) empleado en los análisis energéticos de la vivienda. En la Figura-9 mostramos la evolución mensual de la fracción de radiación solar directa, difusa y el índice de claridad (relación de radiación solar total en horizontal respecto a la existente en el exterior de la atmósfera). Finalmente, en las Figuras-1 y 11 mostramos la evolución de la radiación solar total en horizontal y de la temperatura ambiente en los días medios de cada mes del año meteorológico tipo generado (el tiempo está referido al tiempo solar del meridiano de referencia de nuestra zona horaria: 15º E). 9

11 T amb (ºC) φ (%) H (MJ/m 2.día) 1 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Figura-8: Variables climáticas mensuales medias (temperatura seca, humedad relativa e irradiación solar total en horizontal) empleadas para la generación del año meteorológico tipo Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Septiembre Noviembre Octubre Diciembre Noviembre Diciembre H d / H (%) H bn / H (%) K T,ave (%) Figura-9: Evolución mensual de la fracción solar directa y difusa así como del índice de claridad atmosférica. 1

12 Diciembre Noviembre Octubre Septiembre Agosto Julio Junio Mayo Abril Marzo Febrero Enero Hora solar del día Figura-1: Evolución de la irradiación solar total sobre horizontal en los días medios de cada mes para el año meteorológico tipo generado. Diciembre Noviembre Octubre Septiembre Agosto Julio Junio Mayo Abril Marzo Febrero Enero Hora solar del día Figura-11: Evolución de la temperatura ambiente en los días medios de cada mes para el año meteorológico tipo generado

13 5. Análisis de sombreamientos Uno de los elementos bioclimáticos de esta vivienda son sus grandes aperturas para ganancia solar directa en los meses de invierno (reducción carga refrigeración por solar pasiva), junto a las protecciones solares de los mismos para evitar la carga térmica de refrigeración asociada a la excesiva ganancia solar en los meses de la temporada de refrigeración. En este punto vamos a proceder a realizar un análisis detallado de estos aspectos. En la Figura-12 mostramos la geometría principal de los huecos de ganancia solar en el salón (planta baja) y sus protecciones solares. En la Figura-13 añadimos las trayectorias de los rayos solares directos al mediodía solar de los solsticios de invierno (21 diciembre) y verano (21 junio) y en los equinoccios (21 marzo y 21 septiembre). Como puede observarse, en el equinoccio de verano la protección solar queda sobredimensionada desde el punto de vista del hueco. En los equinoccios la protección solar sombrea de la radiación directa un 94 % del acristalamiento, y en el solsticio de invierno todavía se está sombreando un 29 % del acristalamiento. Por tanto, aparentemente la protección solar puede parecer sobredimensionada. Sin embargo, para sacar conclusiones a este respecto es preciso proceder a un análisis más detallado. Otro aspecto relevante desde el punto de vista de las ganancias solares es el horizonte solar all que se ve sometido el hueco. En la Figura-14 mostramos el horizonte en el punto medio de los huecos de ganancia solar directa de la planta baja, junto a las trayectorias solares en los equinoccios y solsticios. En esta figura se muestra también el bloqueo asociado a los voladizos de protección solar. La región marcada con rayas azules es la ventana a través de la cual el hueco puede ver los rayos directos procedentes del sol. Como puede observarse, las trayectorias solares en el solsticio de verano y los equinoccios quedan completamente ocultas desde el punto medio de los huecos, y la trayectoria del solsticio de invierno resulta visible, aunque por poco, hasta algo más de una hora después del mediodía solar. De seguir creciendo la vegetación del horizonte sur, los huecos de ganancia directa podrían quedar completamente ocultos en la época invernal en la que deben proporcionar aportes energéticos para reducir la demanda de calefacción. 12

14 16 cm Cubierta 24 cm 31,5 cm 1 cm 25 cm 191 cm 25 cm 8 cm 12 cm 3 cm Suelo Terraza Figura-12: Geometría de los huecos de ganancia directa (solar pasiva) y sus protecciones solares en la planta baja. 13

15 Cubierta Solsticio Invierno 54,6 cm 179,8 cm 25,3 º 48,75 º Equinoccios Solsticio Verano 72,2 º 99,4 cm Suelo Terraza Figura-13: Trayectorias solares al mediodía de los equinoccios y solsticios sobre los huecos de ganancia directa en la planta baja. 9 8 Altura (º) Horizonte Solsticio Invierno Equinoccios Solsticio Verano Voladizo Azimut (º) Figura-14: Horizonte solar en el punto medio de los huecos de ganancia directa, junto con las trayectorias solares en los equinoccios y solsticios. 14

16 Hemos procedido a realizar simulaciones horarias (evaluación de los sombreamientos hora a hora durante todo un año) de las actuaciones de la protección solar de los huecos a lo largo de todo un año. En las Figuras 15 y 16 mostramos las actuaciones mensuales del voladizo implementado. En la Figura-15 mostramos la atenuación solar de las distintas componentes de radiación solar debida a la presencia del voladizo, esto es, el cociente de la energía solar que incide sobre el hueco con el voladizo y la que incidiría en ausencia de voladizo (H T = irradiación solar total sobre el hueco; H bt = irradiación solar directa sobre el hueco; H* dt = irradiación solar difusa procedente del cielo; H dt = irradiación solar difusa total cielo y reflejada del suelo incidente sobre el hueco). Podemos sacar las siguientes conclusiones: - El efecto del voladizo sobre la radiación directa es muy fuerte en verano (atenuación > 95 %), pero sigue siendo significativo (3 % de atenuación) en los meses de enero y diciembre (con el sol más bajo), cuando sería bueno que esta radiación no fuera atenuada para reducir la carga de calefacción. - La atenuación de la radiación total sobre la apertura a pesar de ser más fuerte en verano (del orden del 5 %), en invierno sigue siendo muy significativa (del orden del 4 %), reduciendo las ganancias solares pasivas de forma muy significativa. En otoño e primavera es cuando la atenuación solar proporcionada por el voladizo alcanza sus valores máximos (6 65 %). - La atenuación sobre la difusa del cielo y la difusa total es mayor en invierno (5 7 %) que en verano (25 4 %). En invierno, el aporte difuso es importante para reducir la carga de calefacción. En invierno, del total de aporte solar en estos huecos, del orden del 2 % es debido a la radiación difusa, mientras que en verano, el aporte difuso asciende a prácticamente el 1 % de la radiación incidente en estos huecos. - En los meses de verano, la práctica totalidad de la radiación incidente en el hueco lo hace en forma difusa, que sigue implicando una contribución radiativa importante sobre la que el voladizo puede hacer muy poco. Por este motivo sobredimensionar el voladizo no proporciona niveles mayores de protección solar en verano. 15

17 % Enero Análisis Energético y de Ciclo de Vida de una Vivienda Bioclimática en Sitges Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre H T,somb / H T H bt,somb / H bt H* dt,somb / H* dt H dt,somb / H dt Figura-15: Atenuación mensual de las distintas componentes de la radiación solar con el voladizo implementado. 1 8 % Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Figura-16: Porcentaje mensual del aporte solar a los huecos del salón y comedor que se realiza en forma de radiación difusa con la geometría de voladizo implementada. El voladizo implementado para la protección solar de los huecos de planta baja es del p = 1,875 m. Tiene interés comparar este voladizo con el asociado a distintos objetivos de diseño bioclimático en huecos orientados al sur. En climas fríos, un criterio de diseño bioclimático típico es el dimensionado del voladizo para que en el solsticio de verano llegue a sombrear la mitad del hueco. En nuestro caso esto requeriría un voladizo de p =,416 m, considerablemente inferior al implementado. 16 Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

18 En climas templados, un criterio de diseño bioclimático típico es el dimensionado del voladizo para que en el solsticio de verano llegue a sombrear totalmente el hueco. En nuestro caso esto requeriría un voladizo de p =,722 m, que sigue siendo considerablemente inferior al implementado. En climas cálidos, un criterio de diseño bioclimático típico es el dimensionado del voladizo para que en el equinoccio llegue a sombrear totalmente el hueco. En nuestro caso esto requeriría un voladizo de p = 1,973 m, que es del orden del voladizo implementado. Sin embargo, para dimensionar correctamente el voladizo es preciso desarrollar un estudio paramétrico en función de su dimensión evaluando directamente mediante una simulación anual los aportes energéticos en las temporadas de calefacción (aspecto positivo del hueco) y de refrigeración (aspecto negativo), viniendo la dimensión óptima del voladizo expresada mediante un compromiso entre la reducción de los aportes solares en ambas temporadas a medida que se va aumentando su tamaño. En la Figura-17 mostramos la atenuación sobre las distintas componentes del aporte solar al hueco en función de la dimensión del voladizo, y para cada una de las 4 estaciones del año. Con un punto redondo indicamos los valores correspondientes a la configuración de voladizo implementada. La forma de estas curvas indica la saturación de los efectos del voladizo al pasar de una cierta longitud. Por ejemplo, observando la gráfica correspondiente a verano, podemos ver cómo el voladizo implementado está en el límite superior de lo que tiene sentido desde el punto de vista de reducir las ganancias solares en verano. Mayores longitudes constituyen un gasto adicional sin proporcionar beneficios energéticos significativos. Sin embargo, en la gráfica de invierno vemos cómo con el voladizo elegido la reducción sobre el aporte solar calefactor en invierno es muy grande, siendo el voladizo considerablemente superior a los valores óptimos para el comportamiento en invierno. Como puede verse en los gráficos anteriores, al buscar un equilibrio entre los aspectos positivos de verano e invierno, existe un valor medio de la longitud de voladizo tal que al aumentarla el beneficio adicional en verano no es ya muy importante (pendiente reducida), y al disminuirla, el beneficio adicional en invierno tampoco es demasiado importante (pendiente pequeña). Desde el punto de vista energético, éste sería el valor óptimo del voladizo, que para este hueco y clima vemos que se sitúa entorno a p = 1,3 m (algo más de medio metro inferior a la configuración actual). 17

19 % 'INVIERNO' profundidad del voladizo (m) % 1 'VERANO' H T,somb / H T profundidad del voladizo (m) H bt,somb / H bt H* dt,somb / H* dt 1 'OTOÑO' H dt,somb / H dt 1 'PRIMAVERA' % 6 % profundidad del voladizo (m) profundidad del voladizo (m) Figura-17: Atenuación de las distintas componentes de la radiación solar acumulada a lo largo de las 4 estaciones y en función del tamaño del voladizo. Con un punto redondo se indican las actuaciones de la configuración de voladizo implementado. A continuación, en la Figura-18 mostramos una valoración energética de las implicaciones del tamaño del voladizo de protección solar sobre los huecos del salón/comedor. En esta figura aparece valorado en términos de unidades energéticas (kw.h), por unidad de superficie del salón, el aporte solar máximo en las temporadas de calefacción y refrigeración. En invierno este aporte energético representa un contribución solar pasiva a la cobertura de la carga de calefacción, mientras que en verano representaría un aporte a la carga de refrigeración de la vivienda. Los aportes energéticos representados tienen el carácter de máximos en el sentido en que no se ha tenido en cuenta el efecto del marco ni las propiedades radiativas del vidrio (factores que si han sido considerados en la simulación dinámica del comportamiento energético del edificio que posteriormente se presentará). Debido a la transmisividad finita del vidrio (en el caso del acristalamiento simple el factor de ganancia solar es g =,87 con incidencia normal) y a la presencia de la parte opaca del cerramiento (marco), así como a las reflexiones desde el interior hacia el exterior, el aporte solar efectivo será menor. A la vista de este gráfico, el tamaño del voladizoestá bastante bien elegido teniendo en cuenta las peculiaridades del clima (invierno 'suave' y verano bastante cálido). En efecto, en el gráfico vemos cómo se dispara la carga de refrigeración de verano al reducir el voladizo. Es curioso ver cómo para todos los tamaños de voladizo la contribución a la carga de refrigeración es mayor que a la de refrigeración. Sin embargo, es preciso tener en cuenta que en verano, debido al mayor valor del ángulo de incidencia de la 18

20 radiación solar sobre estos huecos, tanto la reducción de la transmisividad del acristalamiento como el incremento de las pérdidas reflexivas son más elevadas que en invierno, por lo que la diferencia entre el aporte solar máximo (lo representado) y el aporte solar real es mayor en verano que en invierno. Sin embargo, y adelantando que la demanda de calefacción de esta vivienda estará entorno a los 1 kw.h/m 2 -a, esta figura nos muestra la gran importancia relativa que pueden tener los aportes solares, que incluso con la configuración implementada (p = 1,875 m, señalada con un punto redondo en la figura), tiene el potencial de cubrir del orden del 4 % de la demanda del salón/comedor. La reducción del tamaño del voladizo al orden de 1,3 m permitiría aumentar dicha contribución potencial al orden del 5 %. 1 kw.h/m 2 -útil Invierno Verano profundidad del voladizo (m) Figura-18: Aporte energético máximo (sin tener en cuenta efectos de transmisividad y reflectividad interior del vidrio, ni la presencia del marco de madera), en términos de energía estacional por unidad de superficie del salón/comedor, en los acristalamientos de esta estancia. 19

21 6. Análisis energético según la NBE CT 79 La normativa actual sobre características térmicas de los edificios, la NBE CT 79, valora la calidad energética del edificio teniendo en cuenta sólo un aspecto del comportamiento energético del edificio, esto es, las pérdidas por transmisión en régimen permanente a través de la envolvente. Para ello define un coeficiente global de transferencia, el K G, sobre el que impone límites legislativos en función del clima, el método de calefacción, y el factor de forma del edificio. El edificio considerado tiene un factor de forma del orden de f = 1 m -1, para el cual, los límites legislativos de la NBE CT79 son de K G = 1,8 W/m 2 K para el caso del sistema actual de calefacción con caldera de gas natural, y de K G =,92 W/m 2 K para el caso del sistema de calefacción eléctrica inicialmente implementado. Hemos procedido a valorar el K G de la vivienda tanto en su configuración original como en la actual y en la correspondiente a las distintas modificaciones analizadas. En la Figura-19 presentamos la comparativa del K G del edificio para la vivienda en los estados original y actual, así como para las distintas modificaciones analizadas. La nomenclatura de los distintos casos analizados es la siguiente (las medidas incorporadas son acumulativas cuando no sean excluyentes): caso-: Vivienda original caso-1: Añadimos trastero caso-2: Aislamos pared E habitación juegos con 3 cm corcho (el finalmente elegido) caso-3: Aislamos pared E habitación juegos con 3 cm poliestireno caso-4: Aislamos forjado exterior habitación juegos con 3 cm de vidrio celular(el finalmente elegido). caso-5: Aislamos forjado exterior habitación juegos con 4 cm de vidrio celular caso-6: Aislamos el forjado del garaje con 3 cm vidrio celular caso-7: Vidrio doble en ventanas habitación juegos caso-8: Vidrio doble en todas paredes exteriores menos recibidor (decorativa) caso-9: Aislamiento paredes exteriores que tenían cámara de aire con 5 cm poliestireno caso-1: Aislamiento paredes exteriores que quedaban sin aislar con 3 cm corcho como pared E habitación juegos 2

22 k G (W/m 2 -K) NBE CT79 caso- caso-1 caso-2 caso-3 caso-4 caso-5 Figura-19: Comparativa del K G del edificio (caracterización energética según la NBE CT79) para la vivienda en los estados original y actual, así como para las distintas modificaciones analizadas. caso-6 caso-7 caso-8 caso-9 caso-1 Como podemos observar, la vivienda original no cumple con el K G exigido por la NBE CT79. De hecho, ninguno de los casos del 1 al 6 consigue cumplir con el límite establecido por la NBE CT79. Por tanto, incluso añadiendo todas las medidas de ahorro energético actualmente consideradas (aislamiento pared E y forjado exterior de habitación de juegos) no es posible alcanzar el límite de la NBE CT79, si bien se obtiene una mejora muy significativa y nos quedamos muy cerca del dicho límite normativo. Se hace necesario añadir doble acristalamiento en la habitación de juegos para conseguir superar el límite establecido por la NBE CT79. Al extender el doble acristalamiento a todas las ventanas exteriores (menos la del recibidor) se obtiene una reducción adicional significativa en el K G, del orden de la conseguida aislando la pared E de la habitación de juegos. Las mayores reducciones se alcanzarían sin embargo, aislando el conjunto de paredes exteriores de la vivienda. La incorporación del trastero en la fachada W, como una zona tampón adicional, ya ha conducido a una significativa reducción del K G. De las medidas actualmente propuestas para mejorar el comportamiento energético de la vivienda, la correspondiente a aislar la pared E de la vivienda es la de mayor impacto sobre el K G. La diferencia entre el uso del corcho y el poliestireno es suficientemente reducida como para favorecer el uso del corcho, material natural con menor impacto en su ciclo de vida que el poliestireno. El aislamiento del forjado exterior proporciona un beneficio adicional relativamente pequeño, al igual que el aislamiento del forjado de separación con el garaje. A la vista de estor resultado recomendaríamos como mucho el emplear una capa de 3 cm de vidrio celular en el el aislamiento del forjado, pero la simulación 21

23 dinámica permitirá valorar con mayor precisión el beneficio de esta medida adicional (en especial el aislamiento del forjado de separación con el garaje). Sin embargo, la caracterización del comportamiento energético de la vivienda a partir de su K G no permite hacerse una idea clara de las implicaciones energética de la misma. Para obtener información más relevante a partir de los KG hemos empleado un método de evaluación de demanda energética de carácter estacionario (como lo es el K G ), el método de los grados-día, para poder valorar la demanda energética de la vivienda para calefacción en los distintos casos analizados. Además del valor de la demanda por transmisión representada por el K G hemos añadido la demanda por renovación de aire, procediendo a calibrar dicha demanda con los resultados del consumo medido para calefactar la vivienda (presentado en el punto siguiente). En la Figura-2 presentamos los resultados de este análisis. Para conseguir la demanda medida en el 22, del orden de 13 kw.h/m 2 -a, con la configuración actual (caso-1), es necesario emplear unas renovaciones horarias del aire interior de ACH = 1,47 h -1 (caso representado). Para alcanzar los consumos medidos en los años 21 y 22 sería necesario emplear ACH = 1,6 h -1. Estos valores de las renovaciones horarias son algo superiores a valores típicos en viviendas unifamiliares (ACH 1 h -1 ), pero entran completamente dentro de lo posible teniendo en cuenta el tipo de carpintería empleada y el año de construcción. Como podemos apreciar en esta figura, el efecto de añadir las modificaciones planificadas sobre la vivienda es reducir su demanda desde el nivel actual de unos 13 kw.h/m 2 -a, a valores del orden de 1-99 kw.h/m 2 -a, que ciertamente no es una gran reducción. Comparativamente, el uso de doble acristalamiento en todos los huecos, y especialmente el uso de aislante en todos los cerramientos exteriores hubiera permitido acercarse a valores de demande de calefacción de 83 kw.h/m 2 -a, que ya son del orden de magnitud de las permitidas en otros países de nuestro entorno como Alemania (con una climatología considerablemente más severa). 22

24 Demanda calefacción según K_G, A_transferencia y ACH = 1,47 1/h D_tot (KW.h/m2-a) NBE CT79 caso- caso-1 caso-2 caso-3 caso-4 caso-5 caso-6 caso-7 caso-8 caso-9 caso-1 Figura-2: Evaluación de la demanda de calefacción a partir de los valores del K G del edificio (caracterización energética según la NBE CT79) y emediante el método de los grados-día, para la vivienda en los estados original y actual, así como para las distintas modificaciones analizadas. Resultados calibrados con el consumo energético medido en la vivienda durante el año 22, conduciendo a una renovación horaria del aire interior de ACH = 1,47 h

25 7. Análisis energético según medidas de consumos En este apartado hemos procedido a realizar un análisis del comportamiento energético de la vivienda a partir de las medidas de consumo de gas natural. Partiendo de dichas medidas, asumiendo un consumo para cocina de 1 kw.h/día, asumiendo un valor del rendimiento estacional de la caldera de gas natural, y calibrando el consumo para ACS (agua caliente sanitaria) de tal forma que en los meses de verano no se produzca consumo de calefacción (teniendo en cuenta la ocupación variable de la vivienda), llegamos a la valoración de la variación estacional de la demanda para calefacción. Este proceso se ha repetido para los años 2, 21, 22, y 23 para los cuales se disponía de medidas. Los resultados se presentan en la Figuras 21, 22, 23 y 24, en las que también se indica la demanda total de calefacción del año correspondiente. En la siguiente tabla mostramos los consumos anuales de calefacción y de ACS procedentes de los calibrados durante estos 4 años de medidas. Año Demanda calefacción kw.h/m 2 -año Demanda ACS kw.h/persona-día 2 136,62, ,42 1, ,42 1, ,2 1,21 Los valores de demanda de ACS obtenidos, si bien están algo por debajo de valores típicos de 1,8 kw.h/persona-día, entran dentro de lo posible teniendo en cuenta la ocupación variable de la vivienda. La demanda energética para calefacción parece muy regular entorno a los kw.h/año, pudiendo obedecer el mayor valor registrado en el año 2 a un menor rendimiento de la caldera (entrada en operación en 1998) o a una ocupación mayor que la supuesta (incremento consumo ACS). De hecho, tampoco se dispone en las facturas del año 2 de una referencia del poder calorífico del gas distribuido, por lo que entra dentro de lo posible que en este periodo se hubiera distribuido un gas de menor poder calorífico. Por último, una última causa de justificación de la mayor demanda para este año es la existencia de errores por exceso de la medida del gas facturado (o bien facturaciones en base a estimaciones de consumo en lugar de a medidas). El trastero, finalizado en el año 22, puede ser responsable en parte del menor consumo energético registrado ese año. La ocupación variable, una vez más puede ser la responsable del resto de la diferencia experimentada. 24

26 kw.h/periodo Año 2: Demanda calefacción 137 kw.h/m 2 -año Consumo de gas Demanda de calefacción Enero-Febrero Enero-Febrero Marzo-Abril Marzo-Abril Mayo-Junio Mayo-Junio Julio-Agosto Julio-Agosto Septiembre-Octubre Septiembre-Octubre Noviembre-Diciembre Noviembre-Diciembre Periodo facturación Figura-21: Demanda estacional de calefacción según medidas y calibrado en el año 2. Año 21: Demanda calefación 17 kw.h/m 2 -año kw.h/periodo Consumo Gas Demanda Calefacción Enero-Febrero Marzo-Abril Mayo-Junio Julio-Agosto Septiembre-Octubre Noviembre-Diciembre Periodo facturación Figura-22: Demanda estacional de calefacción según medidas y calibrado en el año

27 Año 22: Demanda calefación 13 kw.h/m 2 -año kw.h/mes Consumo Gas Demanda Calefacción Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Figura-23: Demanda estacional de calefacción según medidas y calibrado en el año Agosto Septiembre Octubre Noviembre Año 23: Demanda calefacción 17 kw.h/m 2 -año Diciembre kw.h Consumo de gas Demanda de calefacción 5 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Figura-24: Demanda estacional de calefacción según medidas y calibrado en el año 23. Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 26

28 8. Criterio de confort térmico Las condiciones de ambiente térmico (temperatura, humedad relativa y velocidad del aire) que rodean a las personas se traducen en una sensación de confort térmico de las mismas en cuanto que actúan como condiciones de contorno a la disipación de la potencia térmica de origen metabólico al entorno. En las simulaciones realizadas hemos añadido una valoración de la sensación de confort térmico en cada una de las estancias. Para ello hemos tomado como referencia frente a la que comparar la situación de confort durante todo el año la de una generación metabólica de MET = 1, que se corresponde con la de una persona adulta sentada (58,2 W/m 2 ), dotada de una vestimenta de CLO = 1, esto es, una resistencia térmica adicional de,155 m 2 ºC/W, que se corresponde con pantalones largos, camiseta, camisa de manga larga y suéter de maga larga. Por tanto, los resultados presentados, corresponden a una indumentaria algo más ligera de lo normal en pleno invierno (para estar dentro de la casa), y más pesada de lo normal en pleno verano. Existen diversos índices de confort térmico que tratan de relacionar las condiciones del entorno con el grado de confort. Sin embargo, el confort humano se ve afectado por factores psicológicos y fisiológicos, de tal forma que resulta complejo predecir qué grado de confort significará para un cierto individuo unas condiciones dadas del entorno térmico. Uno de los índices de confort más empleados es la escala de sensación de confort térmico denominada PMV (Predicted Mean Vote = previsión de voto medio), que clasifica la sensación de confort proporcionada por un cierto ambiente térmico en la siguiente escala del +3 a -3: PMV Sensación de Confort +3 Caliente +2 cálido +1 ligeramente cálido neutral -1 ligeramente fresco -2 fresco -3 frío No todo el mundo experimentará la misma sensación de confort ante las mismas condiciones del entorno térmico. Existe una relación entre el PMV y el PPD (Predicted Percent Dissatisfied = previsión de porcentaje insatisfecho), definiéndose los ocupantes insatisfechos como aquellos que no votan entre +1 y -1 en la escala de PMV. Para PMV =, tenemos todavía PPD = 5, es decir, el 5 % de los ocupantes todavía estarían insatisfechos. Para PMV = ±,5 se tiene PPD = 1, que constituye el criterio de diseño recomendado por ASHRAE. Para PMV = ± 1 tenemos PPD = 27, esto es, entorno al 27 % de la gente resultaría insatisfecha desde el punto de vista del confort térmico. Con fines comparativos, para proporcionar una impresión gráfica rápida de los valores combinados de temperatura y humedad ambiente interior, presentaremos la evolución del PMV en las distintas estancias de la vivienda 27

29 manteniendo constantes para todo el año los valores de MET = 1 y CLO = 1. Sin embargo, para tener una representación más real de las condiciones de confort incluiremos alguna valoración con valores variables de CLO, desde CLO =,5/,1 en verano hasta CLO = 1,3 en invierno, pasando por CLO =,9/,8 en primavera / otoño. 9. Simulación dinámica de la vivienda Hemos realizado simulaciones dinámicas de la vivienda para las distintas configuraciones de interés. La simulación dinámica es la única herramienta adecuada para poder desarrollar un análisis energético detallado de las actuaciones energéticas de la vivienda. Virtualmente es posible acercarse al comportamiento real de la vivienda con tanto grado de precisión como se desee, sin más que modificar los modelos que describen los diversos aspectos físicos del comportamiento de la vivienda. Los resultados presentados están basados en simulaciones horarias a lo largo de todo el año en las que, entre otros, se han incluido los siguientes aspectos: - Conducción transitoria en los elementos opacos (muros y cubierta) de la vivienda. - Valoración horaria de los sombreamientos sobre los distintos huecos. - Transferencia detallada a través de los huecos teniendo en cuenta la transmisividad del vidrio según la dirección de la radiación incidente, así como los efectos del marco de la ventana y reflexiones desde el interior. - Transferencia radiativa infrarroja entre las superficies del interior de cada zona térmica. - Infiltración variable en las distintas zonas térmicas. - Patrones de ocupación de las distintas estancias, de ventilación, y de cierre/apertura de contraventanas variables con el tiempo y ajustados al uso habitual de la vivienda. - Efectos inerciales del aire y demás elementos en el interiro de cada zona térmica. - Ganancias internas asociadas al metabolismo humano, iluminación, electrodomésticos y cocina. Para la simulación se ha dividido la vivienda en 18 zonas térmicas, una para cada uno de los espacios considerados, reteniendo los acoplamientos entre todas ellas. La simulación se ha llevado a cabo con TRNSYS. En la Figura-25 mostramos el patrón de evolución diaria de la consigna del termostato que gobierna la caldera. Dicho termostato se encuentra ubicado en la zona térmica salón/comedor. El resto de estancias de la vivienda cuentan con radiadores dotados de válvulas mezcladoras a la entrada para permitir una cierta regulación local de la temperatura. 28

30 Consigna temperaturas calefacción en salón T_consigna (ºC) t (hora) Figura-25: variación diaria del punto de consigna del termostato de la caldera situado en el salón/comedor Valoración de aportes solares pasivos En primer lugar vamos a empezar por valorar los aportes solares pasivos a la vivienda. Dichos aportes se producen tanto de forma directa a través de los huecos de la vivienda, como de forma indirecta a través de la absorción solar en muros y cubierta. En la Figura-26 mostramos la evolución del PMV para una simulación realizada sin considerar los aportes solares, mientras que en la Figura-27 se muestran los valores correspondientes al considerar los efectos de la irradiación solar. En el modo de operación simulado se ha considerado la operación habitual de la vivienda en la que no se climatizan los espacios hab-x, hab-mt y hab-inv. Este es el motivo por el que el PMV resulta tan bajo en estos espacios durante los meses de invierno. Como podemos observar, la inclusión de los efectos solares incrementa significativamente el valor del PMV en las estancias no climatizadas durante el invierno y el de todas las estancias durante el verano. Sin embargo, en las estancias hab-x y hab-mt, situadas al norte, el incremento en PMV durante los meses invernales debido a las ganancias solares es muy pequeño, manteniéndose valores de PMV muy bajos. En las estancias climatizadas, el PMV en la temporada de calefacción prácticamente no se modifica porque la caldera se encarga de mantener la temperatura en el valor de consigna. La diferencia entre las dos simulaciones se refleja en la diferencia de consumo energético de la caldera para alcanzar esta temperatura de consigna. 29

31 Figura-26: PMV (predicted mean vote) en las distintas zonas térmicas de la vivienda para una simulación realizada sin incorporar los aportes solares a cerramientos opacos y semitransparentes. El modo de la operación de la vivienda es sin climatizar los espacios hab-x, hab-mt y hab-inv. 3

32 Figura-27: PMV (predicted mean vote) en las distintas zonas térmicas de la vivienda para una simulación realizada incorporando los aportes solares a cerramientos opacos y semitransparentes. El modo de la operación de la vivienda es sin climatizar los espacios hab-x, hab-mt y hab-inv. En la siguiente tabla mostramos los valores de la demanda total de energía para calefacción al operar la vivienda en distintos modos (climatización de distintas estancias), considerando y sin considerar los efectos de la radiación solar, con lo cual es posible valorar la fracción solar (SF) del sistema solar pasivo implementado en la vivienda. Como podemos ver, la fracción solar pasiva está entorno al 25 % en todos los casos. SIN SOLAR CON SOLAR Espacios NO climatizados Demanda calefacción (kw.h/m2-a) Fracción solar pasiva (%) Hab-X, hab-mt, hab-inv, pasillo PB, baño PB 158,17 - Hab-X, hab-mt, hab-inv 168, ,24 - Hab-X, hab-mt, hab-inv, pasillo PB, baño PB 117,43 25,76 Hab-X, hab-mt, hab-inv 125,48 25,51-14,44 25,39 En la Figura-28 mostramos una representación gráfica de las demandas de calefacción obtenidas. 31

33 Demanda calefacción (kw.h/m2-a) Sin sol. Climatiza todo Climatiza todo No climatiza X, MT, Inv No climatiza X, MT, Inv, PaPB, bapb Figura-28: Demandas de calefacción obtenidas asumiendo que el punto de consigna del termostato en el salón afecta a toda la vivienda por igual Configuración inicial La demanda de calefacción obtenida en el régimen de operación habitual de la vivienda, se encuentra entro los valores medidos de 137 kw.h/m 2 -a y 13 kw.h/m 2 -a. Sin embargo, tomado como valor más representativo de la demanda de calefacción los 17 kw.h/m 2 -a, y teniendo en cuenta la experiencia en la operación de la vivienda de que la consigna de temperaturas del termostato del salón no es efectiva por igual en el resto de estancias de la vivienda, hemos procedido a calibrar el modelo asumiendo que la consigna termostática efectiva en el resto de estancias es inferior a la del salón en una cantidad tal que se alcance el consumo medido. Para una reducción de,75 ºC en la consigna efectiva de temperaturas para el resto de estancias, obtenemos una demanda de 17,46 kw.h/m 2 -a en línea con los consumos medidos en el 21 (previo a construcción del trastero) Configuración actual En el 22 se añadió un trastero en la fachada W que actúa como espacio tampón. Sin embargo, dado que en el modo habitual de operación de la vivienda las estancias anexas al trastero no se climatizan, la demanda energética no se modifica en exceso. 32

34 Calibrado del modelo El calibrado del modelo en el modo habitual de operación con las medidas experimentales de consumo de la vivienda en el año 23, conduce a una modificación del punto termostático efectivo en el resto de la vivienda de,7 ºC. En la Figura-29 podemos observar la evolución anual de la potencia demandada para calefactar la vivienda en este modo de operación actual. Como podemos ver, la potencia demandada es considerablemente inferior al valor máximo que permite proporcionar la caldera instalada (Saunier Duval ISOFAST-F-28E) de 27,6 kw. Es más, la potencia demandada se mantiene continuamente por debajo de la potencia mínima que puede proporcionar la caldera (1,4 kw), por lo que es de esperar que la caldera esté operando a carga parcial con continuos arranques y paradas, atenuados sólo por la relativamente elevada inercia térmica de la vivienda. kw kw Figura-29: Potencia demandada a lo largo del año para cubrir la carga de calefacción en el modelo calibrado en el modo de operación normal de la vivienda. En la Figura-3 puede observarse la evolución de la temperatura de las distintas estancias de la vivienda en este modo de operación. Como puede verse, en las estancias no climatizadas la temperatura llega a caer en el orden de los 8 1 ºC produciendo los bajos valores del índice de confort PMV anteriormente mostrados. En la Figura-31 se muestra la evolución mensual de la demanda de calefacción. 33

35 ºC % Figura-3: Evolución de la temperatura en las distintas zonas térmicas de la vivienda en el modo de operación normal de la vivienda, obtenidas con el modelo calibrado. Demanda calefacción (kw.h/m2-mes) Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Figura-31: Evolución de la demanda de calefacción mensual en el modo de operación normal de la vivienda, obtenidas con el modelo calibrado. 34