Uso de la energía en los edificios. Manual para estudiantes

Transcripción

1 Uso de la energía en los edificios Manual para estudiantes

2 Símbolos clave Definición: explica lo que un término significa. Nota: muestra que algo es importante, un consejo o una pieza clave de información. Cuidado con ellos! Objetivo de aprendizaje: aparece al principio de cada capítulo y explica lo que se aprenderá en dicho capítulo. Experimento, ejercicio o actividad: indica algo para hacer en base a lo que has aprendido. Enlace web: muestra una dirección de internet donde se puede obtener más información. Referencia: indica de donde proviene la información. Estudio del caso: cuando se muestra un ejemplo o una situación real. Puntos clave: se trata de un resumen de todo lo explicado, por lo general aparece al final de cada capítulo. Preguntas: son preguntas que se efectúan al alumno al final de cada capítulo para comprobar los conocimientos adquiridos. Nivel 2: indica el nivel de aprendizaje. II

3 Índice de contenidos 1. INTRODUCCIÓN QUÉ ES UN EDIFICIO? TIPOS DE EDIFICIOS ESTRUCTURA DEL EDIFICIO CONCEPTO: EL EDIFICIO COMO UNA CAJA QUE RESPIRA ENVOLVENTE DE UN EDIFICIO Materiales aislantes Rehabilitación térmica. Algunos Ejemplos Medida de la capacidad aislante de los materiales Ventanas, puertas y superficies acristaladas Tipos de ventana ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA Elementos solares pasivos CONSEJOS Y SUGERENCIAS PARA UN MEJOR USO DEL EDIFICIO EJERCICIOS Y PREGUNTAS...21

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5 1 Introducción Objeto de aprendizaje. En este capítulo aprenderás: El concepto de edificio. Cuáles son los tipos de edificios que existen. 1.1 Qué es un edificio? Definición: Un edificio es una construcción hecha por el hombre para albergar a personas, animales, cosas o actividades. Está completamente cerrado por una envolvente exterior, formada por los muros, el techo y el suelo, que crea un microclima en su interior Los edificios tienen una gran cantidad de formas y funciones, y se han tenido que adaptar a un gran número de factores a lo largo de la historia, desde los materiales de construcción disponibles, a condiciones climáticas, condiciones del terreno, razones estética, etc. Los edificios cubren algunas necesidades de la sociedad, sobre todo actúan como refugio a las condiciones climáticas y como espacio para vivir, disfrutar de privacidad, guardar las pertenencias y poder vivir y trabajar cómodamente. Un edificio, entendido como un refugio, representa una separación física del hábitat humano de el interior (un lugar de confort y seguridad) con el exterior (un lugar que a veces puede ser duro y perjudicial). El primer refugio de la historia lo construyó un antepasado relativamente cercano del ser humano, el homo erectus, y se cree que data del año A.C., La construcción de un edificio y su uso conllevan el consumo de una gran cantidad de energía y tienen un enorme impacto directo e indirecto sobre el medio ambiente. Los edificios no sólo utilizan recursos como energía y materias primas, sino que también generan residuos potencialmente peligrosos y además tienen asociadas una serie de emisiones atmosféricas. Debido a que la economía y la población siguen aumentando, los arquitectos y constructores se enfrentan a un desafío único para satisfacer la demanda de nuevas y renovadas instalaciones que sean accesibles, seguras, saludables y productivas mientras se reduzca al mínimo su impacto sobre el medio ambiente. Recientes respuestas a este desafío exigen un enfoque integrado y sinérgico que considere todas las fases de la instalación a lo largo del ciclo de vida. Este enfoque sostenible se apoya en un mayor compromiso al cuidado y conservación del medio ambiente, los resultados en un equilibrio óptimo de los costes ambientales, sociales, humanos y al mismo tiempo los beneficios de la misión y la función de la instalación y la infraestructura. Los objetivos principales del diseño sostenible son: -Evitar el agotamiento de los recursos energéticos naturales, del agua y las materias primas. -Prevenir la degradación ambiental causada por las instalaciones y la infraestructura a lo largo de su vida útil. -Crear construcciones que sean habitables, cómodas, seguras y productivas. 1.2 Tipos de edificios Los edificios se clasifican principalmente según la función y uso para la cual se construyen. A continuación se cita una posible clasificación.

6 1) Edificio residencial: dentro de este tipo de edificios se encuentran los edificios de apartamentos, viviendas adosadas, casas de campo, castillos, iglús, etc. Foto di Michael Gardner 2)Edificios educativos y culturales: como es el caso de las escuelas, colegios, universidades, librerías, galerías de arte, museos, teatros, cines, sala de conciertos, etc. 3)Edificios comerciales: un ejemplo son los bancos, edificios de oficinas, hoteles, restaurantes, supermercados, tiendas, almacenes, etc. 4) Edificios gubernamentales: ayuntamientos, consulados, tribunales, parlamentos, comisarías de policía, servicio de bomberos, etc.

7 5) Edificios industriales: como es el caso de las fábricas, fundiciones, centrales eléctricas, etc. 6) Edificios sanitarios: un ejemplo son los hospitales, clínicas, ambulatorios, etc. 7) Edificios agrícolas: en este caso están incluidos los establos, gallineros, invernaderos, graneros, molinos, etc. 8) Edificios militares: cuarteles, fortalezas, fortificaciones, etc. 9) Aparcamientos y almacenes: tales como garajes, almacenes, naves industriales, hangares, etc.

8 10) Edificios religiosos: iglesias, catedrales, capillas, monasterios, sinagogas, templos, etc. 11) Edificios para deporte: piscinas, centros deportivos, gimnasios, estadios, pabellones, etc. Por lo tanto, existe una gran variedad tanto de edificios como de requerimientos para conseguir el confort dentro de cada uno de ellos. Dentro de todos estos edificios se tiene que crear un microclima interior adecuado para cumplir el propósito para el cual fueron construidos, por ejemplo, en un almacén se necesita menor temperatura que en el interior de una vivienda, por lo que cada uno de ellos debería estudiarse por separado.

9 2 Estructura del edificio Objeto de aprendizaje. En este capítulo aprenderás: El importante papel que tiene la envolvente de un edificio y cómo se derrocha la energía (incluyendo los fundamentos de transferencia de calor). Una visión general de los materiales más comunes en construcción y aislamiento. Conceptos básicos de diseño de edificios bioclimáticos. 2.1 Concepto: el edificio como una caja que respira Un edificio puede ser visto como una caja gigante cuya misión es proteger su contenido de las condiciones climáticas, tales como la temperatura exterior, viento, lluvia, etc. El confort dentro de un edificio, a parte de ser algo subjetivo, depende principalmente de dos factores: la temperatura del interior y la humedad. Es obvio que la temperatura más alta (o más baja) junto con la humedad más alta (o más baja) son las perores condiciones para conseguir dicho confort. La cubierta exterior de un edificio, llamada también envolvente, trabaja como un intercambiador con las condiciones climáticas externas, tomando calor debido a la exposición de los rayos solares y devolviendo calor al exterior debido a la ventilación o a un mal revestimiento. La envolvente, además de tener la misión de envolver y proteger el edificio, debería permitir la respiración con el fin de evitar la humedad interior y alcanzar un equilibrio adecuado entre las ganancias y las pérdidas de calor. Fig.1 Balance energético de un edificio Esta fotografía, tomada por una cámara termográfica, muestra las condiciones térmicas del edificio, siendo las áreas rojas y amarillas, las partes más calientes mientras las azules son las áreas más frías. La fotografía nos muestra por donde se escapa el calor, y esta zona de escape se corresponde con las zonas más claras. En la foto, por ejemplo, el punto que se corresponde con el forjado (Sp2) está a 6,2ºC y el punto situado en medio del muro (Sp1) tiene una temperatura de 1,1ºC.

10 Fig.2 Imagen termográfica de un edificio En la comparación siguiente, se pueden observar los puentes térmicos provocados por las cajas de las persianas y por los forjados, que son los puntos donde se desperdicia más calor. In questa fotografia, ad esempio, la superficie esterna del muro ha un gradiente termico (ovvero una differenza di temperatura) di 6,1 C in prossimità della struttura del pavimento (Sp2=6,2 C) ed è invece di 1,1 C in corrispondenza del muro (Sp1). Fig. 3 Imagen termográfica de un edificio En esta termografía de la figura 4 se presenta un edificio (derecha) de bajo consumo de energía donde el calor apenas se escapa frente a un edificio tradicional (izquierda) que presenta muchas pérdidas de calor. Por qué ocurre esto? Fig. 4 Imagen termográfica de un edificio Definición: Se trata de un fenómeno físico conocido como transferencia de calor, según el cual, el calor siempre fluye desde los espacios calientes a los espacios más fríos.

11 Esto significa que en invierno, el calor fluye directamente desde los espacios habitados hacia el exterior y hacia los espacios sin calefacción como son áticos, garajes y sótanos (donde hay una diferencia de temperatura). Por el contrario, en verano el calor se mueve en sentido contrario, desde el exterior hasta el interior de los edificios. Para mantener el confort, la pérdida de calor en invierno debe ser compensada por un sistema de calefacción, mientras que la ganancia de calor en verano será disipada por un sistema de aire acondicionado. Esto significa que una gran cantidad de energía es desperdiciada en la mayoría de los edificios. En España, el 45% de la energía 1 media consumida en los hogares se dirige a mantener las casas en una situación confortable. Normalmente, el gas natural y la electricidad se emplean en los sistemas de calefacción, mientras que en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado se utiliza la electricidad. Considere el ejemplo de la construcción de una casa para un Fig.5 Diferencia de temperatura y transferencia de calor clima frío. La demanda de calor de la calefacción de la casa en la estación fría es la principal consumidora de energía. Si se consigue reducir la demanda de calor por medio de un buen aislamiento externo, por la colocación de ventanas con pocas pérdidas, por ganancias de energía solar pasiva, etc. el sistema de calefacción se puede simplificar y la energía necesaria para la calefacción se reduce, así como la factura y las emisiones de CO2. Fundamentos de la transferencia de calor Nota: El calor siempre es transferido desde un sitio caliente a otro más frío mediante tres mecanismos de transferencia: Fig.6 Transferencia de calor Conducción, se produce en un material sólido cuando sus moléculas se encuentran a diferentes temperaturas. Las moléculas más calientes transmiten la energía (calor) a la zona más fría del material. Por ejemplo, colocar una cuchara en una taza de café caliente conduce el calor a través de la misma hasta la mano que sostiene la cuchara. La conducción en los edificios se produce principalmente a través de paredes y ventanas Convección, es la transferencia de energía debida al movimiento de un fluido. El aire caliente se eleva y se sustituye por el aire frío que entra desde el exterior. En multitud de edificios con insuficientes particiones internas se pueden crear poderosas y derrochadoras corrientes de aire. 1 Según el IDAE, el 45% es la suma de calefacción y aire acondicionado.

12 Radiación, la energía es transportada por ondas electromagnéticas. A diferencia de los otros mecanismos, la radiación no requiere la intervención de ningún soporte material para propagar el calor. La radiación dentro de los edificios se produce principalmente a través de puertas y ventanas de cristal pero si las paredes no están bien aisladas, la radiación del exterior puede calentar el interior por conducción. 2.1 Envolvente de un edificio La mayoría de las pérdidas de energía que se producen en edificios se debe a una envolvente inadecuada, la cual está formada por las paredes, el suelo, el techo, las puertas y las ventanas. La siguiente imagen muestra las situaciones típicas de transferencia de calor que se dan en edificios. A modo de ejemplo, se aprecia como el calor se transmite a través de las paredes hacia el exterior o hacia espacios adyacentes no climatizados. Nota: Los componentes adecuados y los materiales aislantes permiten reducir la necesidad de calefacción o refrigeración actuando como una resistencia muy eficaz a la transmisión de calor, o dicho más sencillo, se consigue una mejor conservación de la temperatura interior. El color de las fachadas exteriores también juega un papel importante en la transferencia de calor debido a su propiedad de reflejar o absorber la luz del sol. El blanco y los colores claros actúan como reflectores, mientras que el negro y las tonalidades oscuras absorben la luz solar Materiales aislantes Fig.7 Pérdidas de energía en un edificio convencional Definición: Material aislante es aquel material que presenta una alta resistencia al flujo de calor.

13 Los materiales de uso común para el aislamiento de edificios se pueden clasificar de la siguiente manera: Vegetal: corcho, fibra de madera, lino, paja, etc. Mineral: fibra de vidrio, lana mineral, arcillas expandidas, carburos metálicos, vidrio espumoso, etc. Materiales sintéticos: poliestireno expandido, espumas fenólicas y poliuretano, PVC, etc. Además, los materiales aislantes están disponibles en variedad de formas, aparte de aislamientos rígidos, también encontramos: mantas en forma de rollos y paneles semirrígidos, fibras sueltas sopladas, espumas y sprays aislantes. Todos estos aislantes se pueden colocar conjuntamente, aumentando así la propiedad aislante, pero se necesita una combinación adecuada de los materiales y una instalación realizada por profesionales. Un buen aislamiento puede reducir la transferencia de calor a través de paredes, techos, ventanas, etc., consiguiendo los siguientes beneficios: Ahorro de energía, ya que reduce las pérdidas de energía en los días fríos y mantiene la temperatura más baja en los días de verano reduciendo las cargas de refrigeración. Aumenta la comodidad mediante la eliminación del efecto "pared fría", efecto producido en ventanas y en los muros exteriores (la diferencia de temperatura entre la superficie de la pared y la habitación no debería ser superior a 4ºC). Reduce el riesgo de condensación que puede causar daño al aislamiento del edificio o a los materiales estructurales, y también disminuye la posibilidad de decoloración y de condiciones de vida insalubres del edificio. El riesgo de condensación aumenta a baja temperatura ambiente. Evita los cambios bruscos de temperatura proporcionando al edificio protección contra grietas y expansiones térmicas. Mejora la acústica del edificio. El material aislante por lo general es evaluado en términos de resistencia térmica (indicado con el valor R) que indica la resistencia del material a la transmisión de calor (véase apartado ). Cuanto mayor sea su resistencia, mayor es la eficacia del aislamiento. Por supuesto, el aislamiento térmico depende del tipo de material, de su espesor y su densidad. Gráfico 1 - Comparación de materiales aislantes

14 Como ejemplo, véase la imagen donde se compara entre 10 cm de aislamiento térmico y otros materiales de construcción. Nota: En invierno cada metro cuadrado de pared sin aislamiento pierde el equivalente de energía a 3-6 litros de gasóleo (lo que se equivale al gasóleo teóricamente consumido para calentar el espacio sin aislamiento). Con un buen aislamiento, estas pérdidas se reducen a una sexta parte. Duplicando el espesor del aislamiento de una pared en blanco de 45 mm a 90 mm se puede ahorrar alrededor del 30% en energía 2. Para cualquier edificio con más de 20 años o insuficientemente aislado es aconsejable realizar una reforma térmica para mejorar su aislamiento, por la que fácilmente se logrará un ahorro de energía del 50% en calefacción y refrigeración. Se debe añadir que una cuidadosa selección de los materiales de construcción es la clave para alcanzar altos niveles de confort a un bajo coste, aunque es más conveniente para nuevas edificaciones o cuando se requieren importantes reformas. Por ejemplo, un ladrillo cerámico hueco tiene muy buenas propiedades aislantes (o alta resistencia térmica) pero existen otros materiales como la arcilla térmica que aun presenta un mejor rendimiento. Fig.8 - Ejemplo de ladrillo hueco con excelentes propiedades aislantes Estos ladrillos tienen una estructura interna de cámaras de aire, ayudando a conseguir un buen aislamiento térmico y acústico. Resumiendo, además de los materiales de construcción, es importante el uso de materiales aislantes con el fin de lograr mejores resultados en el ahorro de energía y en la búsqueda del confort Rehabilitación térmica. Algunos Ejemplos. 1. Aislamiento de fachadas (muros y ventanas): Mediante la colocación de material aislante térmico externo, interno o inyectándolo dentro del muro. Los cristales y ventanas se sustituyen por otros más eficientes y de mayor calidad. 2. Aislamiento de tejado, suelo y techo: Mediante la instalación de material aislante térmico entre tabiquillos, vigas de madera, rastreles y también añadiendo material aislante en tejas y baldosas. También se debe aislar térmicamente los techos en contacto con espacios habitables, suelos en contacto con espacios no Fig.9 - Ejemplo de ladrillos de arcilla con excelentes propiedades aislantes 2 El nivel de energía de un edificio se mide por la energía consumida en calefacción y refrigeración (kwh) por cada metro cuadrado de superficie del edificio (m 2 ) durante un año. Así que cuando se habla de pérdidas o ahorros de energía debido al aislamiento, se refiere a la energía que sería consumida o ahorrada en calefacción o en refrigeración.

15 IUSES Uso de la energía en los edificios habitables, apoyados sobre el terreno o en contacto con el aire exterior. 3. Aislamiento del sistema hidráulico: Mediante la colocación de material aislante térmico alrededor de las tuberías con el fin de reducir las pérdidas de calor en el transporte de agua caliente y evitar la posible condensación en las tuberías de agua fría Medida de la capacidad aislante de los materiales Hay tres formas comúnmente utilizadas para evaluar las propiedades aislantes de los materiales: La capacidad aislante de un material se caracteriza por la resistencia térmica R, la cual indica la resistencia que un material ofrece al paso del flujo de calor. La resistencia térmica se mide en m² K/W. Un mayor valor de R significa un mejor material aislante. Para calcular el valor de R de una instalación de varias capas, se suman los valores de R de las distintas capas. El inverso de R se denomina coeficiente de transmisión de calor U y también se usa para medir la capacidad aislante de los materiales. La transmisión de calor se mide en W/m² K y obviamente, un buen material aislante debe tener valores bajos de U. El mayor valor permitido de este coeficiente para edificios está regulado por cada país siguiendo las directrices europeas sobre construcción. Los valores varían en función del clima de cada país. Por ejemplo, en países cálidos como España, el rango de U oscila entre 0,93 y 1,62 W/m² K, mientras que en los países del norte, los valores son bastante inferiores. Una medida similar de la capacidad de transferencia de calor de un material determinado es la conductividad térmica K. Las unidades de K son W/m K y una vez más, cuanto menor sea el valor de K, mayor será la capacidad aislante del material. Esto significa que habrá menos pérdidas de energía (expresada en W) por metro de material utilizado (y por cada grado Kelvin). Así que, resumiendo, un buen material aislante lo primero que debe poseer es una baja conductividad térmica, por ejemplo, 0,03 y 0,05 W/m K. Otras propiedades importantes y que también debe tener, son: baja capacidad de absorción de agua y que sean inflamables y resistentes a agentes químicos y roedores. De esta manera, los materiales de construcción mencionados anteriormente son buenos aislantes térmicos. Por ejemplo, el ladrillo cerámico hueco tiene una conductividad térmica entre 0,49 y 0,76 W/ m K, mientras que las arcillas térmicas tienen valores de K inferiores a 0,14 W/ m K La siguiente tabla muestra los valores de los coeficientes de transmisión de calor para diferentes materiales de construcción. La primera columna muestra los valores de U sin aislamiento y el resto de columnas muestran una comparación de los valores de U para distintos espesores de material aislante. Espesor de la pared exterior Valor de U con aislamiento térmico adicional (W/m 2. K) Aislamiento adicional Sin aislamiento 6cm 8cm 10cm 12cm 14cm 38cm ladrillo macizo cm ladrillo hueco (antiguo) cm ladrillo hueco (nuevo) cm ladrillo de silicato cálcico 30cm hormigón armado cm madera maciza Tabla 1- Comparación de distintas soluciones constructivas. Leyenda: >0.40 Insuficiente / Bueno / Muy bueno / <0.25 Excelente (estándar de bajo consumo de energía) 13

16 IUSES Uso de la energía en los edificios En el Reino Unido, por ejemplo, las soluciones más comunes son bloques de hormigón que contienen un núcleo de poliestireno expandido o una doble pared con espuma aislante en medio. En edificios con doble pared y para evitar la humedad, es una buena opción rellenar la cavidad con espuma. En la siguiente imagen, entre los bloques de hormigón y los ladrillos, se ha colocado fibra de vidrio. Fíjate en la diferencia de conductividad térmica (valor de K), recordando que cuanto más bajo sea el valor de K, mayor será la capacidad de aislamiento del material. Pared externa + 2 cm Pared externa + 6 cm Pared externa + 13 cm de fibra de vidrio de fibra de vidrio de fibra de vidrio K = 1.08 W/m²K K = 0.55 W/m²K K = 0.29 W/m²K Fig.10 - Ejemplo de tipos de aislamientos Es evidente que los requerimientos de nivel de aislamiento dependen básicamente de las condiciones climáticas, por lo que cada país tiene los suyos. Como ejemplo, el cuadro siguiente ofrece una visión general de los requisitos o recomendaciones existentes de los valores de U en algunas ciudades europeas. Requisitos existentes U [W/m² K] Pared Tejado Suelo Ciudad País Bajo Alto Bajo Alto Bajo Alto Tirana Albania 0,53 0,53 0,38 0,38 0,59 0,59 Wien Austria 0,35 0,5 0,2 0,25 0,35 0,4 Bruselas Bélgica 0,6 0,6 0,4 0,4 0,9 1,2 Sofía Bulgaria 0,5 0,5 0,3 0,3 0,5 0,5 Zagreb Croacia 0,9 0,9 0,65 0,65 0,75 0,75 Praga República Checa 0,3 0,38 0,24 0,3 0,3 0,45 Berlín Alemania 0,3 0,3 0,2 0,2 0,4 0,4 Copenague Dinamarca 0,2 0,4 0,15 0,25 0,12 0,3 Madrid España 0,66 0,66 0,38 0,38 0,66 0,66 Helsinki Finlandia 0,25 0,25 0,16 0,16 0,25 0,25 París Francia 0,36 0,36 0,2 0,2 0,27 0,27 Atenas Grecia 0,7 0,7 0,5 0,5 1,9 1,9 Budapés Hungría 0,45 0,45 0,25 0,25 0,5 0,5 Roma Italia 0,5 0,5 0,46 0,46 0,46 0,46 Riga Letonia 0,25 0,4 0,2 0,2 0,25 0,25 Amsterdam Holanda 0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 0,37 Oslo Noruega 0,18 0,22 0,13 0,18 0,15 0,18 Estocolmo Suecia 0,18 0,18 0,13 0,13 0,15 0,15 Tabla 2 - Coeficientes de transmisión de calor para ciudades europeas (Fuente: Eurima) 14

17 2.2.2 Ventanas, puertas y superficies acristaladas Nota: Estas son las partes más débiles de la envolvente de un edificio, responsables de un tercio de las pérdidas de calor en invierno y de las pérdidas de refrigeración en verano. Estas pérdidas se deben a fugas de aire, filtraciones y puentes térmicos a lo largo de la estructura de los componentes y a la transferencia de calor a través de los materiales. Normalmente, se usan ventanas corrientes que cuentan con una baja resistencia al paso del calor, lo cual es completamente ineficiente. Las ventanas y las superficies acristaladas, cubren una parte importante de la superficie de un edificio, y además de actuar como el resto de la envolvente del edificio evitando las pérdidas de calor, juegan otro papel importante: proporcionar luz natural permitiendo ganancias de calor en el interior (sobretodo en estaciones frías o países fríos). Nota: Del mismo modo, las puertas exteriores son responsables, en promedio, del 10% de las pérdidas de calor producidas en una casa. Por lo general deben estar aisladas y selladas, principalmente en la parte inferior con burletes o con cuerda aislante para prevenir las fugas de aire.. O, si las puertas son muy viejas, deberían cambiarse por otras fabricadas por algún buen material aislante térmico (madera, doble capa de aluminio rellenado con espuma o mantas aislantes, etc.). Dos pasos importantes a seguir: La configuración adecuada y el correcto posicionamiento de las ventanas y las superficies acristaladas; Comprobar la eficiencia energética de las ventanas (que presentan gran resistencia al paso del calor). 1. Las ventanas grandes deberían colocarse en la cara sur del edificio con el propósito de que en invierno el sol caliente el interior. Por el contrario, durante el verano, el objetivo es evitar la entrada de calor del sol, para ello sería necesaria la colocación de algún dispositivo que proporcione sombra. Actualmente se colocan aleros o verandas en las ventanas. Por el contrario, las ventanas situadas en la cara norte, se deberían construir más pequeñas con el fin de evitar la entrada de frío. 2. El material del marco y las características del cristal son dos factores muy importantes en la eficiencia energética de las ventanas. Por ejemplo, una ventana con marco de aluminio o hierro permite el paso de una gran cantidad de calor (de baja resistencia térmica), mientras que la colocación de un marco de madera es mejor ya que es un material aislante. Igualmente, los sistemas con doble cristal o doble ventana evitan la pérdida de calor de casi un 50% en comparación con los cristales simples, así como reducen las fugas de aire, la condensación de humedad y la formación de heladas.

18 Tipos de ventana Las ventanas se clasifican según el valor del coeficiente de transmisión de calor U. Recuerda que U es el inverso de R (resistencia térmica) y cuanto más bajo sea U, mayor eficiencia energética tendrá la ventana. Nota: Las ventanas con doble acristalamiento poseen valores de U hasta un 75% más bajos que ventanas que sólo disponen de un cristal simple. Las ventanas doblemente acristaladas más eficientes permiten la entrada de un 80% de la luz solar y tienen valores de U de aproximadamente 2. Las ventanas con valores de U de 1 o inferiores se denominan "superventanas". Muchas de las ventanas de alto rendimiento disponibles comercialmente pueden incluir múltiples capas de cristal, revestimientos de baja emisividad, relleno de gas inerte entre las capas de cristal y espaciadores aislantes. La siguiente figura muestra valores típicos para diferentes tipos de ventanas. Fig.11 - Valores de U típicos para diferentes tipos de ventanas 2.3 Arquitectura bioclimática Un modelo de eficiencia energética para edificios cuenta con todas las soluciones técnicas comentadas con anterioridad y con los principios de diseño capaces de aumentar el ahorro de energía y el confort en el interior, ayudando a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes del uso de energía de combustibles fósiles, así como reducir los gastos de energía en el hogar. Además, el concepto de eficiencia energética también incluye los elementos de la Arquitectura Bioclimática que proporcionan un hogar confortable durante todo el año. Definición: La arquitectura bioclimática es aquella que adapta el edificio a las condiciones climáticas particulares del lugar, con el fin de obtener el máximo confort con el mínimo apoyo posible de las fuentes de energía auxiliar. El sol es el principal proveedor de energía en el diseño bioclimático.

19 Los elementos bioclimáticos se clasifican como pasivos y activos. Esta modalidad no es algo nuevo, sino que gran parte de la arquitectura tradicional funcionaba según los principios bioclimáticos en el tiempo en que las posibilidades de climatización artificial eran escasas y caras. Elementos bioclimáticos Sistemas activos Sistemas pasivos Colectores solares Paneles fotovoltaicos... Ganancia solar directa Ganancia solar indirecta Sistemas aislados: invernadero y atrio Muro térmico con precalientamiento de aire Muros trombe Muros másicos Colectores solares y lechos de grava Fig.12 - Elementos bioclimáticos activos y pasivos Nota: Los sistemas solares activos hacen referencia al aprovechamiento de la energía solar mediante sistemas mecánicos y/o eléctricos: colectores solares (para calentar agua o para calefacción) y paneles fotovoltaicos (para producir energía eléctrica), tal como se abordan en el último capítulo. El diseño solar pasivo maximiza las ventajas del sol con las características estándares de la construcción, usando el movimiento natural del calor y del aire para conseguir temperaturas cómodas y operando con poca o ninguna asistencia mecánica.. Fig.13 - Elementos bioclimaticos en un edificio

20 2.3.1 Elementos solares pasivos Como muestra el gráfico anterior, los sistemas solares pasivos se dividen generalmente en tres elementos principales, de acuerdo a la forma de obtener los beneficios solares, estos son: Ganancia solar directa Ganancia solar indirecta Sistemas aislados Los sistemas de ganancia solar directa se componen básicamente de acristalamientos que dejan pasar el calor y de una masa térmica grande en paredes, pisos y suelos. En estos sistemas, la luz del sol pasa a través de las ventanas, y su calor es atrapado por la masa térmica en el interior donde se almacena. Se pueden alcanzar temperaturas de hasta 27ºC. El acristalamiento suele ser el factor más importante en el ahorro de energía. El ahorro obtenido por ganancia solar cuando se dispone de una fachada orientada al sur con un acristalamiento del 60% está entre el 15% y el 40%, dependiendo del material aislante utilizado. El inconveniente es que esta misma superficie acristalada requiere una refrigeración en verano de un 55% superior. Por esto se deben colocar aleros en las ventanas y árboles alrededor del edificio que faciliten sombra en verano y ganancia solar en invierno. El favorecer la ventilación cruzada es otro factor importante de refrigeración en verano. Estos sistemas de ganancia solar directa responden rápidamente al efecto del sol, por lo que se recomiendan en edificios utilizados prevalentemente por la mañana, como son las escuelas. Además el coste adicional en la obra es generalmente muy bajo. Los sistemas de ganancia solar indirecta utilizan los mismos Fig.14 - Principio operacional de un sistema solar pasivo. materiales y principios de diseño que los sistemas de ganancia directa, pero coloca la masa térmica (la pared interna) entre el sol y el espacio que se calienta. Con estos elementos pasivos de ganancia solar indirecta se pueden alcanzar temperaturas de hasta 70ºC (recuerda que con los elementos de ganancia solar directa se alcanzaban temperaturas de hasta 27ºC). Al alcanzar temperaturas tan altas, estos sistemas se convierten en grandes almacenadores de energía. Las altas temperaturas se alcanzan poco a poco y normalmente el retardo térmico está entre 6 y 8 horas. Durante el período de verano se deben utilizar unos aleros para evitar el sobrecalentamiento. Estos sistemas afectan al diseño general del edificio, por lo que no se recomiendan para estructuras prediseñadas. Entre los varios tipos de sistemas de ganancia solar indirecta, el elemento más común son los muros Trombe. Fig.15 - Principio operacional de los muros Trombe. La radiación solar se recoge y es atrapada, calentando el aire entre la gran ventana y la masa térmica (el muro). Se practican unos orificios en la parte superior e inferior del muro; el de arriba permite que el aire caliente fluya hacia el interior de la habitación mientras que el aire frío se desplaza entonces a ocupar su lugar a través de los orificios en la parte inferior del muro

21 (recuerda que el aire caliente tiende a ascender debido a que es más ligero que el aire frío). La masa térmica (el muro) sigue absorbiendo calor y lo almacena para irradiarlo de nuevo a la habitación después de que el sol se ha ido. Se pueden colocar unos amortiguadores en los orificios de ventilación para prevenir que el aire caliente se escape a través de ellos en la noche. Los sistemas aislados, tales como invernaderos para viviendas y atrios para edificios de mayor tamaño, representan un espacio adicional con atractivas cualidades arquitectónicas. En algunos climas, también pueden ofrecer protección contra el clima adverso a un coste aceptable. Estos sistemas resultan de una combinación de los sistemas de ganancia de calor directa e indirecta. Se componen de una superficie acristalada grande que encierra una masa térmica (mayor que las de los muros Trombe) situada entre la pared exterior del edificio y la superficie acristalada. Cuáles son los beneficios? Fig.16 - Principio operacional de invernaderos y atrios Nota: Un nuevo edificio planificado y construido siguiendo criterios bioclimáticos, puede llegar a ser autosuficiente desde un punto de vista energético. Sin embargo, estos son casos excepcionales ya que no se pueden aplicar a la mayoría de los proyectos. Aun así, cualquier edificio puede obtener ahorros de energía de hasta un 60% mediante la aplicación de técnicas bioclimáticas, sin gasto adicional y guardando la estética final del proyecto... El nivel de energía de un edificio se mide por la energía consumida en calefacción y refrigeración (kwh) por metro cuadrado de superficie 3 (m²) y por lo general en un año. La siguiente tabla muestra la comparativa entre el consumo de un edificio tradicional y otro bioclimático. Vemos como el ahorro puede llegar hasta el 67%. Demandas Diseño tradicional (kwh/m 2 ) Diseño bioclimático (kwh/m 2 ) ACS Ganancia solar Ganancias internas Emisión gases Techumbre Muros Ventanas Ventilación Suelos Total Tabla 3 - Comparación de demanda energética

22 Cada edificio, en función de los materiales de construcción, debería tener su propio valor de demanda energética. Para hacer una estimación de la demanda energética de un edificio conocida su demanda por metro cuadrado, lo que se necesita es multiplicar ese valor por la superficie habitable del edificio. Por ejemplo, con una superficie de 240 m 2 y una demanda energética de 169 kwh/m 2 (como se muestra en el cuadro) se obtiene: 240 m 2 x 169 kwh/m 2 = kwh (aproximadamente la demanda de energía de todo el edificio). 2.4 Consejos y sugerencias para un mejor uso del edificio El diseño del edificio, los materiales de la envolvente, puertas y ventanas utilizadas, etc., son decisivos para tener una estancia confortable en el edificio. Como la gran parte del consumo de energía de un edificio se debe a la calefacción y refrigeración (alrededor del 45%) y teniendo en cuenta la larga vida del edificio, sería realmente rentable prestar atención a todas las cuestiones estructurales. Siga estas sugerencias para incrementar la eficiencia energética y ahorrar dinero. Envolvente y aislamiento. Un buen asilamiento térmico siempre debería ser planificado durante el proceso de diseño de edificios nuevos o restaurados. Mira los requisitos actuales (o las normas sugeridas) de valores de U para la envolvente en tu país. Para los edificios ya diseñados, la modificación de la estructura para mejorar el aislamiento suele ser difícil y no siempre rentable. Sin embargo para edificios antiguos, si se van a realizar obras de rehabilitación, no hay que olvidar que un aislamiento térmico correcto puede significar ahorros importantes de energía y dinero. Reducir las pérdidas de calor por el uso de paneles dobles y aislamiento de los muros podría ocasionar una reducción del consumo de energía a la mitad (50%). Recuerda que las superficies oscuras absorben más radiación solar. Asegure el sellado de la envolvente, rellenando las cavidades y ranuras donde se encuentran las fugas de aire. Puertas y ventanas. Si no puedes cambiar las puertas y ventanas antiguas, hay varias cosas que puedes hacer para que sean más eficientes: Abrir las cortinas y los toldos de las ventanas orientadas al sur para permitir el paso de los rayos del sol hacia el interior. No utilizar cortinas o persianas para cubrir las ventanas y las superficies acristaladas en invierno porque proporcionan luz natural al interior y permite la entrada del calor del sol (ganancia solar). Comprobar que la junta de la puerta y el burlete colocado en la parte inferior de la puerta evitan las fugas de aire. Calafatear alrededor de las puertas y ventanas puede reducir significativamente las fugas de aire. Mantener las ventanas y puertas cerradas cuando el sistema de calefacción o refrigeración está funcionando para evitar las pérdidas. 4 Se considera la superficie habitable. Si se dispone de tres plantas 80 m² cada una, la superficie habitable será 240 m² (80 x 3).

23 Arquitectura bioclimática. El diseño y la estructura de los elementos del edificio mayoritariamente pertenecen a las decisiones de las fases de construcción o de reforma a gran escala; sin embargo, esto no es preocupación de los adolescentes. Tenemos tres puntos que deberíamos aprender: Adquirir conciencia y conocimiento del propio diseño, de los materiales y de la utilización de las tecnologías que pueden ser útiles a la hora de elegir una casa para vivir o simplemente para dar sugerencias a tus padres o al director de tu colegio. Hay acciones a pequeña escala que se pueden hacer y que conllevan un bajo coste, tales como el sellado de grietas, añadir sombras interiores (persianas, venecianas, etc.), instalar ventiladores de techo, el uso de plantas para obtener sombra, etc. Hay medidas no técnicas, incluso las más simples, que pueden tener beneficios energéticos para nuestro edificio sin costes adicionales; tales como asegurar el funcionamiento racional del edificio y sus sistemas, un correcto uso de las ventanas (permitir el paso del sol durante el invierno, sombreado y ventilación por la noche en verano), y el uso racional de los aparatos a fin de no poner cargas de calor en el edificio (por ejemplo, no cocinar durante el periodo más caliente del día). 2.5 Eyercicios y preguntas: 1. Cuál es la dirección de la transferencia de calor? a) De un lugar caliente a otro más frío. b) De un lugar frío a otro más caliente. 2. Qué color crees que es el mejor absorbiendo la luz del sol y cuál reflejándola? Cita tres de los materiales aislantes más comunes: Cuál de estas dos soluciones de construcción sería la mejor aislante? a) 10 cm de aislante térmico b) 20 cm de ladrillo hueco 5. Puedes pensar en algunos materiales que no serían buenos aislantes? Por qué no lo son? Cuál sería un excelente rango para el valor de U de un material de construcción? > < Dónde se localizan la mayoría de las fugas de aire? Qué se puede hacer para detener estas fugas? Dónde deberían estar situadas las ventanas más grandes del edificio? a) Cara sur b) Cara norte

24 10. Qué dispositivo o sistema podría utilizarse para salvaguardar a las ventanas de los rayos del sol durante el verano? Qué tipo de ventana presenta el mejor rendimiento? Cuál debería ser el rango de U para este tipo de ventana? Indica si las siguientes técnicas son solares activas (A) o pasivas (P). Paneles fotovoltaicos [ ] [ ] Atrios [ ] [ ] Sistemas de ganancia solar indirecta [ ] [ ] 13. Define la arquitectura bioclimática y di qué se podría considerar como su principal fuente de energía Cuál es el inconveniente de los elementos solares pasivos durante el verano? Cómo se puede solucionar? Marca las funciones de la masa térmica (la pared interna) de un sistema solar pasivo: Absorber y almacenar calor. Protección contra las adversidades del clima. Radiar calor después que el sol se ha ido. Permitir la ventilación del aire. 16. Según la medida de la demanda de energía de un edificio (kwh/m²) y suponiendo que tu colegio tiene una demanda de aproximadamente 150 kwh/m² por año: Estimar la superficie habitable del colegio (m²) =... Calcular la demanda total de energía (kwh) =... Glosario Cámara termográfica: también llamada cámara de infrarrojos, es un dispositivo que forma una imagen a través de la radiación infrarroja, de forma similar a una cámara normal que forma una imagen a través de la luz visible. Es capaz de revelar las variaciones de temperatura en la superficie de un cuerpo. Ganancia de calor: aumento de la cantidad de calor contenida en un espacio como consecuencia de la radiación solar directa, del flujo de calor a través de las paredes, ventanas y otras superficies del edificio y del calor desprendido por las personas, luces, aparatos y otras fuentes de calor. Pérdida de calor: disminución de la cantidad de calor contenida en un espacio como consecuencia del flujo de calor a través de ventanas, paredes, techos y otras superficies del edificio y de las fugas de aire caliente.

25 Ganancia solar térmica: calor añadido a un espacio debido a la transmisión y absorción de energía solar. Ondas electromagnéticas: se refiere a la danza periódica de campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio transportando la energía de un lugar a otro. Efecto de pared fría: sensación de frío que siente una persona sobre la parte del cuerpo vuelto hacia la pared (pared sin aislamiento). Condensación: es el proceso físico que consiste en el paso de una sustancia en forma gaseosa a forma líquida. Por ejemplo, el vapor de agua se condensa en líquido después de la toma de contacto con la superficie fría de una botella. Rastrel: Cada uno de los listones clavados directamente en el suelo o pared, que forman un entramado encargado de recibir un material de revestimiento. Grado Kelvin: es una unidad de medida de la temperatura que conserva la misma dimensión que la escala de grados Celsius, coincidiendo el aumento de un grado Celsius con el de un Kelvin. Las dos temperaturas de la escala Celsius que se corresponden con el punto de congelación del agua (0ºC) y el punto de ebullición (100ºC), corresponden a 273,15K y 373,15K respectivamente. Espuma de poliestireno expandido: es un material plástico que tiene propiedades especiales debido a su estructura. Se compone de células individuales de poliestireno de baja densidad y es extremadamente ligero pudiendo soportar su propio peso en agua muchas veces. Fibra de vidrio: es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos y al solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como fibra. Sus principales propiedades son que es un buen aislante térmico y que soporta altas temperaturas. Puente térmico: es una zona donde se transmite más fácilmente el calor. Un ejemplo es el de las ventanas de doble cristal con marco de aluminio, el doble cristal es buen aislante pero el aluminio es un excelente conductor térmico, y por eso deja escapar el calor. El puente térmico se debe eliminar reduciendo la sección transversal, utilizando materiales con mejores propiedades aislantes o con un componente adicional de aislamiento. Calafatear: consiste en rellenar o cerrar una grieta con el fin de reducir el flujo de aire dentro y fuera del edificio. Burlete: Tira de tela rellena de material dúctil y esponjoso que se coloca en los intersticios de puertas, balcones o ventanas para cerrarlas herméticamente y evitar el paso del aire.

26 Web links mytopic= Referencias AA. VV: Guía práctica de la energía para la rehabilitación de edificios. El aislamiento, la mejor solución (Practical Guide for the Energy Reform of Buildings. The insulation, the best solution), Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), Asociación Nacional de Industriales de Materiales Aislantes (ANDIMA), Puntios clave: El diseño del edificio, los materiales de la envolvente, las ventanas y las puertas utilizadas son elementos decisivos para conseguir el confort dentro de un edificio. Como la mayor parte del consumo de energía del edificio se debe a la calefacción y refrigeración (más del 50%) y considerando la larga vida de un edificio, se debe prestar especial atención a estos elementos. Un buen aislamiento reduce la transferencia de calor a través de paredes, techos, ventanas, etc., obteniéndose los siguientes beneficios: ahorro de energía e incremento del confort. Según el principio de transferencia de calor, el calor siempre fluye desde espacios calientes hasta espacios más fríos. Ventanas, superficies acristaladas y puertas son las partes más vulnerable de la envolvente del edificio, responsable en promedio de un tercio de las pérdidas de calor en invierno y de las pérdidas de refrigeración en verano. Cualquier edificio puede obtener ahorros energéticos de hasta un 60% mediante la aplicación de técnicas bioclimáticas, sin gasto adicional en mantenimiento y conservando la estética del edificio.