1 El balance energético en edificios

Transcripción

1 1 El balance energético en edificios Uno de los objetivos de la arquitectura debería ser proporcionar condiciones ambientales favorables en el interior al mínimo coste. El confort térmico, uno de los condicionantes necesarios para el confort, debería conseguirse mediante el uso racional de la energía, así pues el edificio debería ser lo más confortable posible durante todo el año minimizando los consumos auxiliares de energía. Los sistemas de climatización son sólo necesarios para suplir las necesidades que no puedan ser solventadas por métodos naturales. El diseño arquitectónico juega un papel fundamental para alcanzar este objet ivo. El proceso de diseño debe seguir una serie de normas bien establecidas las cuales deben ser fácilmente deducibles desde los principios básicos como se muestra en los siguientes apartados. Aunque estas recomendaciones son válidas para cualquier circunstancia hay que prestar especial énfasis a las conclu siones finales y éstas deben ser consideradas también en países de climas cálidos del sur de Europa. Los términos energéticos que influencian en el balance térmico de los edificios son: Conducción a través de los cerramientos Este término es proporcional al valor medio de K de la piel, y representa pérdidas de energía en invierno y ganancias en verano. La absorción de la radiación solar en superficies perimetrales contribuye a aumentar las ganancias en verano pero disminuye las pérdidas en invierno. Aunque en edificios bien aislados, las ganancias solares son escasas y casi imperceptibles. Intercambio de aire Este término representa la cantidad de energía necesaria para poner el aire exterior a las condiciones del aire interior. Este intercambio de volúmenes de aire se realiza mediante infiltración y ventilación. La infiltración depende de la permeabilidad de la piel y puede estar controlada hasta cierto punto. Hay que intercambiar un volumen mínimo de aire para obtener unas condiciones aceptables de calidad del aire interior. Este intercambio representa una pérdida de calor en invierno y una ganancia en verano. Ganancias solares a través de los cerramientos de cristal Este término representa la cantidad de energía solar que entra en el edificio a través de las ventanas y otras superficies acristaladas. En este caso se obtienen siempre ganancias de calor, tanto en verano como en invierno. Ganancias internas Este término incluye todas las posibles ganancias internas que se generan en un edificio, normalmente gracias a sus ocupantes, alumbrado, electrodomésticos y otros equipos. Estas fuentes de calor son debidas a las actividades que tienen lugar en el interior del edificio. Fuentes auxiliares de energía 1

2 Este último término representa la cantidad de energía proporcionada por cualquier aparato de calefacción o refrigeración que pueda ser activado específicamente con el propósito de controlar las condiciones ambientales interiores con el fin de proporcionar confort. De todas las variables, la temperatura es la más obvia, aunque la humedad y la velocidad del aire también son importantes. 1.1 Condiciones de temperatura en régimen natural Pérdidas y ganancias Aunque se puede usar un simple balance energético para describir un edificio, las diferencias que se dan en las direcciones de los flujos de energía justificaría inicialmente usar dos, uno para invierno y otro para verano, para acercarnos más a la realidad. Estos balances están representados en los gráficos de la figura 1. Mediante el análisis de estos equilibrios se llega a las ecuaciones que definen la energía auxiliar necesaria bajo condiciones controladas. Condiciones de invierno: Condiciones de verano: Fig. 1 - Balance energético en invierno Q a u x = Q le Q lv Q g s Q gi 2

3 Fig. 2 - Balance energético en verano Q a u x = Q le Q lv Q g s Q gi El valor que representa el intercambio de aire es : y el de conducción es el siguiente: Q v = C p V T a T i Q c =K S T i T a partiendo de condiciones estables, o sea, condiciones que se dan en un tiempo suficientemente largo, ambas ecuaciones citadas se pueden utilizar para predecir las temperaturas interiores más significativas en condiciones de régimen natural. Invierno: T i =T a Q gi Q g s Q le V C p (1) Verano: T i =T a Q gi Q g s Q le V C p La primera conclusión que se deriva de las ecuaciones 1 y 2, es que básicamente la temperatura interior es siempre más elevada que la media exterior en régimen natural, es decir, cuando el edificio funciona sin sistemas de apoyo energéticos auxi- liares. (2) Balance energético para el cálculo de la temperatura interior Condiciones de invierno En invierno la diferencia entre la temperatura media interior y la media exterior se debe a los aportes solares. Esta diferencia es mayor a medida que estas aportaciones aumentan. El valor de la temperatura interior que se obtiene de la 3

4 ecuación 1 aumentará en edificios bien aislados y con altas ganancias por radiación. Fig. 3 - Temperaturas medias para el mes de Enero [1] La figura.3 muestra las temperaturas medias exteriores en Europa para el mes de Enero, habitualmente el mes mas frío del año. En las zonas térmicas donde la temperatura exterior sea muy extrema será necesario un aporte de calefacción auxiliar para llegar a tener una temperatura interior aceptable, aunque siempre será recomendable la contribución del aislamiento y de las ganancias solares para reducir la potencia de ésta. En las zonas con clima más templado, si el edificio está bien diseñado puede que no sea necesario ningún sistema auxiliar Condiciones de verano En verano, es absolutamente necesario tener pocas aportaciones solares y ganancias internas ya que en caso contrario la temperatura media interior podría alcanzar un valor mucho más alto que la temperatura media exterior pro duciéndose sobrecalentamiento. En la figura 4 podemos ver las temperaturas medias exteriores en Europa durante el mes de Julio, habitualmente el más caluroso del año según los registros metereológicos. Se observa que en algu nas regiones del sur de Europa las temperaturas medias exteriores están cerca, o incluso sobrepasan, los niveles de confort (>23ºC). En ellas, a no ser que existan estrategias pasivas de refrigeración tales como radiación, evaporación y/o tubos subterráneos [2], no hay forma de alcanzar unas condiciones de confort aceptables en verano, ni incluso mediante un buen diseño arquitectónico. Limi tando las aportaciones solares y aislando la piel del edificio se pueden reducir las cargas y de esta manera se suprimirían las altas demandas de sistemas auxiliares de refrigeración. En otras regiones de Europa, es fácil protegerse de las temperaturas exteriores mediante el propio diseño pasivo del edificio, alcanzando temperaturas interiores de confort entre 25-26ºC durante casi todo el verano. 4

5 Fig. 4 - Temperaturas medias de Agosto en Europa [1] El papel de la inercia La inercia juega un papel fundamental en el control de la temperatura interior en condiciones de régimen natural, tanto en invierno como en verano. De las ecuaciones 1 y 2 se obtienen las temperaturas medias en un período determi nado ( un mes, una semana, o, al menos durante pocos días). Aún así, aparecen oscilaciones en las temperaturas interiores que será necesario reducir para optimizar el confort interior. Este es el papel que debe jugar la masa térmica, como demuestran varios ejemplos de arquitectura popular de las regiones más calurosas del sur de Europa, donde el funcionamiento en régimen natural es casi una norma. La figura 5 refleja la influencia de la inercia térmica en las oscilaciones de temperatura interior para un mismo valor de temperatura exteri or. Está claro que si las oscilaciones son poco acusadas, la inercia es alta o media y aparece un rango más amplio de tempera- turas interiores de confort. Sin embargo, una inercia baja significa muchas horas del día donde no es posible alcanzar el confort. 5

6 2. Fig. 5 - Temperaturas medias interiores en función de la inercia interior del espacio El papel de la ventilación natural La ventilación natural cruzada puede jugar un papel importante en verano, junto con la inercia térmica. Si se consigue una buena ventilación natural cuando la temperatura exterior es inferior a la interior, normalmente por la noche, se puede evacuar gran parte de la carga térmica interior almacenada. Este efecto de refrigeración ayuda a la masa térmica a absorber las aporta ciones de calor de el siguiente periodo de exposición solar durante el día. La Fig. 6 - Descenso de temperatura interior mediante ventilación natural [3]. 6

7 figura 6 pone de manifiesto como tras un cierto periodo de tiempo durante la noche, las temperaturas interiores de la habitación bajan. [3]. 1.2 Control artificial de la temperatura Bajo condiciones de control ambiental artificial las conclusiones son bastante similares ya que el objetivo es reducir las necesidades auxiliares energéticas. Para reducirlas simultáneamente en invierno y en verano, es necesario: Reducir la transferencia de calor a través de la piel Para reducir la transferencia de calor a través de la piel del edificio, el valor de su coeficiente de transmisión K debe ser bajo. La manera más fácil de conseguir este objetivo es mediante el aislamiento. Esta estrategia será útil a lo largo de todo el año excepto si las ganancias solares e internas son demasiado altas, pero éstas son situaciones que hay que evitar. Acostumbran a ser el resultado de un mal diseño arquitectónico y suponen una mayor demanda de aire acondicionado Reducir los intercambios de aire por infiltración y ventilación Hay que minimizar las infiltraciones pero sólo para evitar excesos innecesarios. Podría carecer de sentido adoptar sistemas mecánicos cuando se pueden ob tener los mismos resultados controlando mínimamente los intercambios de aire con sistemas naturales, siempre que no nos encontremos en condiciones extremas. Los sistemas mecánicos de ventilación pueden ser un buen complemento, si se utilizan combinados con los naturales, para asegurar un mínimo intercambio de aire cuando las condiciones exteriores (viento y temperatura) no son apropiadas para la ventilación natural Aumentar las aportaciones internas y ganancias solares en invierno y reducirlas en verano Aunque este título parezca contradictorio a primera vista, en realidad son dos afirmaciones completamente compatibles y llevan a los conceptos más impor tantes para edificios bioclimáticos o de diseño energéticamente conciente. La figura 7 muestra la aportación de calor, según orientaciones, en invierno, verano y equinoccios, a una latitud 40º Norte, y se puede observar lo siguiente: 1. La orientación óptima para ganancias solares en invierno es la Sur, o al menos Sureste o Suroeste. Cualquier otra orientación contribuye poco a la captación de la energía solar. 2. En verano la orientación Sur también es la mejor para minimizar las ganancias solares. Es básicamente equivalente a la Norte, que recibe poca radiación incidente a lo largo del año. Cualquier otra orientación (SE, SO, E, O, y sobretodo los planos horizontales) supone una mayor carga en el balance energético de verano del edificio. 3. En primavera y otoño, cuando se requiere poca refrigeración o 7

8 Fig. 7 - Ganancias solares a través de ventanas con cristal simple. calefacción, acristalar a Sur es casi lo mismo como hacerlo de Este a Oeste, desde el punto de vista de la aportación térmica por radiación. Así, la norma será favorecer la orientación Sur, utilizando como mejor solución superficies acristaladas, para alcanzar un buen comportamiento térmico. Estas fachadas proporcionan ganancias solares en invierno, ayudando a reducir de manera significativa las necesidades de calefacción en los edificios. Este princi pio puede afectar a la forma y orientación de todos los edificios. Para favorecer la captación Sur, probablemente el mejor diseño es aquel con formas rectangulares donde los lados más largos se extienden de Este a Oeste. En verano, esta solución no es suficiente. Aunque la orientación Sur es la mejor, representa un aumento de las aportaciones de calor. Por lo tanto, es necesario establecer barreras a la radiación mediante sistemas de protección. Estos sistemas, deben actuar tanto sobre la radiación directa como la difusa, deberían ser de color claro y colocarse por la parte exterior del edificio. Las protecciones interiores, son mucho menos eficientes. A partir de estos simples balances energéticos, pueden darse unas recomendaciones para obtener edificios energéticamente más eficientes: a)diseñar una piel térmicamente eficiente mediante el aislamiento adecuado en muros, cubiertas y ventanas (aunque el doble cristal puede no ser económicamente recomendable en los climas más cálidos); b)limitar el intercambio de aire a niveles aceptables, evitando valores excesivos; 8

9 c) Favorecer aportaciones solares pasivas en invierno. La forma y orientación del edificio deben estar presentes desde el inicio del proyecto y luego puede precisarse más (exponiendo el máximo de fachada acristalada a Sur y procurando las obstrucciones adecuadas). d) Proporcionar protecciones exteriores que cubran cada una de las superficies acristaladas en verano; e)utilizar las ventajas que ofrece la masa térmica, particularmente cuando el funcionamiento del edificio sea en régimen natural. f) Permitir la ventilación natural en verano cuando las condiciones exteriores sean favorables. Siguiendo estas sencillas pautas, pueden diseñarse edificios que requieran poca energía auxiliar para mantener las condiciones interiores de confort. La refrigeración podría suprimirse también en la mayor parte de Europa, cuando no haya ganancias internas relevantes. 2 Referencias 1. European Passive Solar Handbook, preliminary edition. Edited by P Achard and R Gicquel. Commission of the European Communities, M Santamouris. Natural Cooling Techniques. In Proceedings of the Workshop on Passive Cooling, pp , Joint Research Centre, Ispra, F. Allard, et al. Natural ventilation in Buildings. James and James, E. Maldonado et al. Efficient Ventilation Techniques for Buildings. DG TREN, THERMIE report, University of Porto, Sandberg, M. "What is Ventilation Efficiency?" Building and Environment, vol.16 (1981), pp Anderson, R. "Determination of ventilation efficiency based upon short term tests". Proc. of the 9th AIVC Conference (Effective Ventilation), September 1988, vol.l, pp Review of Low Energy Cooling Technologies, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme. Natural Resources Canada, December de Mark Zimmermann e Johnny Andersson. Case Study Buildings, Low Energy Cooling, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme. EMPA, Switzerland,

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