evaluación del efecto de la humedad en el rendimiento energético de los cerramientos sometidos a variaciones higrotérmicas

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1 evaluación del efecto de la humedad en el rendimiento energético de los cerramientos sometidos a variaciones higrotérmicas evaluation of the influence of hygrothermal variations on the energy efficiency of the building envelopes Autor/es: J. A. Millán 1, I. Gómez 1, M. Odriozola 1, A. Campos 1, A. Apaolaza 2. Institución: 1 Grupo de Investigación Enedi. Energética en la Edificación, UPV/EHU 2 Laboratorio de Control de la Calidad en la Edificación Departamento de Transportes y Urbanismo del G. Vasco. Abstract There are different techniques to assess the risk of surface and interstitial condensation. The Technical Building Code has adopted an standard criteria derived from the Glaser method, a calculation based on monthly averages for the outdoor climate. One objective of this paper is to analyze and compare these results with those obtained applying more accurate dynamic models of analysis, with hourly weather data and variable hygrothermal properties of materials. ECOEFFICIENCY AND MATERIALS 53

2 Introducción Para comparar los resultados producidos por la técnica tradicional con los obtenidos por métodos numéricos avanzados de cálculo, se ha seleccionado una solución constructiva de muro compuesto al que se le aplicarán unas condiciones climáticas medias para la producción de condensaciones como es Vitoria (Zona climática E1), y sobre ella, el análisis de la aplicación del modelo propuesto en UNE EN y del modelo informático. Descripción del sistema analizado Composición del muro La pared está compuesta desde el lado exterior al interior por: 10 cm de prefabricado de hormigón, 4 cm de poliuretano proyectado, cámara de aire de 5 cm, 1 cm de placa de cartón-yeso. En la Fig. 1 la composición del muro en espesores de los diferentes materiales. También se aprecia en la Fig. 1 la densidad de malla utilizada para la simulación numérica, adoptándose una distribución de mayor densidad en las zonas frontera entre las distintas hojas del cerramiento. Datos climáticos exteriores Los datos climáticos medios mensuales utilizados para el cálculo según norma, son los correspondientes a la ciudad de Vitoria Introduction In order to compare the results obtained by this traditional method with regards to the advanced numerical methods, a wall under average climate conditions corresponding to Vitoria (E1 cliamtic zone) has been analysed using both methods: the method proposed by UNE EN 13788, based on Glaser method, and the numerical model based on water diffusion model. Wall description Wall composition The wall is composed, from outside to inside, by 10 cm prefabricated concrete, 4 cm of projected polyurethane, air chamber of 5 cm, and 1 cm of plasteboard. On figure 1 the wall composition is showed. Density of the net used for the simulation can be appreciated, and can be observed the increasing density of the net in the interfaces between the different materials. Outdoor climatic data The climatic average data used for the calculation based on the semi-static method are the data of Vitoria, with no correction due to altitude. Inside conditions For the inside conditions the spanish standard uses 20 ºC of dry temperature. Fig. 1. Composición de la pared y densidad de malla. Wall composition and density of the net. 54 EUROPEAN CONFERENCE ON ENERGY EFFICIENCY AND SUSTAINABILITY IN ARCHITECTURE AND PLANNING

3 Fig. 2. Datos climáticos exteriores para Vitoria. Valores medios mensuales para la temperatura seca y humedad relativa External climatic data for Vitoria. Average values of dry bulb temperature and relative humidity. Fig. 3. Datos climáticos exteriores para Vitoria. External climatic data for Vitoria. proporcionados por el propio código técnico, sin ninguna corrección por altitud. Condiciones de higrometría interior Para las condiciones interiores de cálculo, la normativa del CTE fija para este caso, unas condiciones constantes de 20ºC de temperatura seca. La norma UNE EN caracteriza la producción de humedad en el interior de los edificios según una clasificación en clases. Se ha adoptado para los cálculos en todos los casos la Case 3, correspondiente a local residencial de uso general. (Fig. 4). La aplicación de esta clase a las condiciones de humedad interior en base horaria a la The UNE EN standard characterizes the inside building moisture production rate according different hygrothermal ranges. For all cases the moisture range 3 has been used, corresponding to a normal use residential building. (figure 4) The application of this moisture production level generates the following inside relative humidity profile over a year. (Fig.5). Calculation models Moisture transport is a very complex phenomenon, and the knowledge about the transport mechanism, the materials characterisation and the initial and boundary ECOEFFICIENCY AND MATERIALS 55

4 Fig. 4. Clases de higrometría interior. Inside hygrothermal ranges Fig. 5. Perfil anual de humedad relativa interior para Vitoria. Annual relative humidity profile to Vitoria. ciudad de Vitoria, genera un perfil anual de humedad relativa interior como el que se ilustra a continuación en la Fig. 5. Modelos de cálculo La transferencia de vapor es un proceso muy complejo, y el conocimiento de sus mecanismos de transferencia, las características de los materiales, y las condiciones iniciales y de frontera, son a conditions are usually not well known neither correctly applied Modelo del Código Técnico (DB HE-1). Model of the Spanish Technical Code The Spanish Technical Code for the Edification, on its Basic Document about the Energy Saving (DB HE-1), applies a methodology derived from the UNE EN standard, which defines the method to obtain 56 EUROPEAN CONFERENCE ON ENERGY EFFICIENCY AND SUSTAINABILITY IN ARCHITECTURE AND PLANNING

5 menudo insuficientes, inadecuadas o están todavía en desarrollo. Modelo del Código Técnico (DB HE-1) El Código Técnico de la Edificación en su Documento Básico referente al Ahorro de Energía (DB HE-1), adopta una metodología derivada de la norma UNE EN 13788, de 2002, que proporciona el método de cálculo para obtener la temperatura superficial interior para evitar la humedad superficial crítica y la condensación superficial. Cálculo de la temperatura superficial para evitar la humedad superficial crítica. Diversos estudios determinan que el riesgo de la aparición de hongos es evidente cuando la humedad relativa superficial presenta valores superiores al 80% durante varios días. La determinación del riesgo de condensación superficial y formación de mohos depende fundamentalmente de: las características climáticas exteriores: la calidad térmica del cerramiento, representada por el factor de temperatura superficial interior frsi de las superficies homogéneas y de los puentes térmicos. la producción de humedad interior y de la renovación de aire y ventilación las características climáticas interiores Cálculo de las condensaciones intersticiales El Código Técnico admite condensaciones intersticiales siempre que no se produzcan sobre capas sensibles del cerramiento, particularmente sobre los materiales aislantes. La normativa hace referencia a los balances anuales de humedad y a la cantidad máxima de humedad acumulada debida a las condensaciones intersticiales. El método no posibilita un pronóstico preciso de las condiciones esperadas de humedad dentro del elemento en condiciones de uso. La siguiente ecuación describe la transferencia de humedad por difusión del vapor de agua en régimen unidimensional: (1) Calculation of surface temperature to avoid the critical surface moisture. Several studies show that fungi can grow under 80% relative humidity conditions. When this humidity is maintained over the inside surfaces of the envelopes during some consecutive days, the risk of fungi grow is relevant. The determination of surface condensation risk according to this criteria depends on: outside climatic conditions thermal quality of the wall, represented by de inner surface temperature factor frsi of the homogeneous surfaces and the thermal bridges inside moisture production rate and air renovation and ventilation rate inside climatic conditions Calculation of interstitial condensations The Technical Code allows interstitial condensations over those layers not sensible of the wall, that is, those layer different from the thermal isolation. The standard refers to the annual moisture balances and the maximum moisture accumulated quantity due to interstitial condensation. The method does not allow making an accurate prediction of the moisture conditions inside the wall. The one-dimensional vapour diffusion is governed by the following equation: where g is expressed on being: : Vapour permeability of air g: density of vapour flow g c : condensed water flow density p i : inside vapour pressure p e : outside vapour pressure (1) ECOEFFICIENCY AND MATERIALS 57

6 Dado g en: Siendo: s d,t :: equivalent air width : material width If interstitial condensations occur, the mass balance results on the expression for the condensed water quantity. : permeabilidad del vapor de agua en el aire g: el flujo de vapor de agua por difusión g c : el flujo de agua condensado en la interfase p i : presión de vapor interior p e : presión de vapor exterior s d,t : el espesor de aire equivalente : espesor de material Si se producen condensaciones intersticiales, el balance de materia nos proporciona la expresión para el cálculo de la cuantía de las mismas durante el periodo considerado. Numerical simulation model The one dimensional model used for heat and moisture transport trough building envelope, is based on the following differential equations. The simulation program solves these equations by finite differences approach. Heat transfer: Moisture transfer: (2) (3) Modelo para la simulación numérica El modelo de cálculo unidimensional utilizado para el transporte de calor y de humedad a través de los cerramientos de la edificación, se puede representar a través de las siguientes ecuaciones diferenciales. El programa de cálculo numérico utilizado, trabaja la resolución de estas ecuaciones por medio de las diferencias finitas. Transferencia de calor: Transporte de Humedad: (2) (3) (4) where: Symbol Property Unit D w Liquid transport coefficient H h v Wet material volumetric enthalpy Latent heat of vaporization of water m2/s J/m3 J/kg p Vapour partial pressure Pa u Moisture content of material (volumetric) Water vapour diffusivity in air Temperature ºC Vapour diffusion resistance factor Water density Thermal conductivity of the material m3/m3 kg/mspa [-] Relative humidity [-] kg/m3 W/mK Table 1. Nomenclature for the heat and moisture transfer equations. (4) 58 EUROPEAN CONFERENCE ON ENERGY EFFICIENCY AND SUSTAINABILITY IN ARCHITECTURE AND PLANNING

7 en las que para cada término tenemos: Símbolo Propiedad Unidades D w Coeficiente de transporte de líquido H Entalpía del material húmedo (volumétrica) h v Calor latente de vaporización del agua m2/s J/m3 J/kg p Presión parcial de vapor Pa u Contenido de agua del material (volumétrico) Difusividad del vapor de agua en el aire Temperatura ºC Factor de resistencia a la difusión del vapor Densidad del agua Conductividad térmica del material m3/m3 kg/mspa [-] Humedad relativa [-] Tabla 1. Símbolos y unidades empleadas. Resultados Condensación superficial kg/m3 W/mK Los resultados obtenidos aplicando el CTE HE-1 presentan reducido riesgo de condensación, puesto que el valor del factor de temperatura superficial (frsi)es superior al admitido por la norma como mínimo ( 0,8457 > ) por lo que cumple las condiciones del Código Técnico. Condensaciones Intersticiales Aplicando la normativa propuesta en el CTE, obtenemos condensación intersticial en la capa de hormigón, en los meses de diciembre, enero y febrero, y evaporación en marzo y abril, teniendo ya en el mes de mayo toda la condensación producida reevaporada, por lo que cumpliría los requisitos del código técnico HE-1. A continuación se presenta la evolución del contenido total de humedad en los materiales a lo largo del periodo de cálculo, para datos climáticos horarios y medios mensuales (Fig. 6) Variación de la transmitancia térmica El uso de programas de simulación higrotérmica avanzada, permite analizar the inner surface temperature to avoid surface condensations. Calculation of surface temperature to avoid the critical surface moisture. Several studies show that fungi can grow under 80% relative humidity conditions. When this humidity is maintained over the inside surfaces of the envelopes during some consecutive days, the risk of fungi grow is relevant. The determination of surface condensation risk according to this criteria depends on: outside climatic conditions thermal quality of the wall, represented by de inner surface temperature factor frsi of the homogeneous surfaces and the thermal bridges inside moisture production rate and air renovation and ventilation rate inside climatic conditions Calculation of interstitial condensations The Technical Code allows interstitial condensations over those layers not sensible of the wall, that is, those layer different from the thermal isolation. The standard refers to the annual moisture balances and the maximum moisture accumulated quantity due to interstitial condensation. The method does not allow making an accurate prediction of the moisture conditions inside the wall. The one-dimensional vapour diffusion is governed by the following equation: Results Surface condensation The results obtained applying the CTE HE-1 show a low condensation risk, due to the surface temperature factor (frsi) is higher than that allowed by the standard as a minimum (0,8457> 0,616), so fullfilling the Technical Code requirements. Interstitial Condensation Applying the CTE standard, interstitial condensation is found to happen within the concrete layer, in the months of December, January and February, and ECOEFFICIENCY AND MATERIALS 59

8 Fig. 6. Salida gráfica del programa. Evolución del contenido total de humedad en la simulación anual con datos climáticos horarios y medios mensuales. Graphical output of the program. Evolution of total moisture content in the simulation times annual climate data and monthly average.. Fig. 7. Gráfica de evolución mensual del valor medio de la transmitancia térmica. Monthly evolution of the average value of thermal transmittance. conjuntamente la transferencia de calor y humedad, y posibilita correlacionar la variación de conductividad térmica con el contenido de humedad de los materiales. Estos parámetros influyen muy directamente en la respuesta térmica del cerramiento. Y en los contenidos de humedad alcanzados. En la Fig. 7 se observa la variación a lo largo del año de la transmitancia térmica del cerrramiento, y las líneas que delimitan los valores de transmitancia térmica con los materiales totalmente secos y con humedad crítica. Valor de la transmitancia térmica de construcción seca: Useco= W/m²K evaporation in March and April. As in May all the condensation is re-evaporated, the requirements of the HE-1 technical code are met. Below, the annual evolution of the total moisture content in the materials is shown on an hourly-basis (Fig.6). Variation of the thermal transmittance The use of advanced hygrothermal simulation tools, allows to join the heat and mass transport analysis, enabling the correlation between the variation of thermal conductivity and moisture content of materials. These parameters directly influence on the thermal response of the enclosure and in the moisture content. 60 EUROPEAN CONFERENCE ON ENERGY EFFICIENCY AND SUSTAINABILITY IN ARCHITECTURE AND PLANNING

9 Valor de la transmitancia térmica a humedad crítica: Ucrit = W/m²K Estas variaciones afectan de forma determinante a las pérdidas energéticas del edificio a través de los cerramientos, pudiendo suponer fácilmente incrementos superiores al 10% para cerramientos típicos como el analizado. Conclusiones El método Glaser ha sido un método común para evaluar el equilibrio higroscópico en un cerramiento teniendo en cuenta la difusión del vapor en su interior. Sin embargo, este método no permite considerar el transporte de humedad capilar en el componente, ni la capacidad de almacenamiento de humedad por adsorción, los cuales reducen el riesgo de daños en caso de condensación. Por todo ello su aplicación está limitada a las estructuras ligeras. Sin embargo, en muchas ocasiones, en los edificios se emplean materiales higroscópicos en sus cerramientos, y por otra parte, la reducción de los plazos de ejecución conlleva una mayor presencia de humedades de construcción, por lo que es necesario emplear modelos que permitan evaluar el comportamiento del cerramiento bajo condiciones transitorias y que permitan así considerar las variaciones en la capacidad de almacenamiento de humedad de dichos materiales. De esta forma, el método Glaser no es apto para evaluar situaciones derivadas de la presencia de humedad de construcción, las precipitaciones, o humedad ascendente, siendo necesaria en estos casos una simulación empleando métodos dinámicos. In Fig. 7, the annual evolution of the thermal transmittance of the enclosure is presented together with the thermal transmittance values of completely dry materials (blue line) and critical moisture (red line). Thermal transmittance value of dry construction: Udry = W / m² K and Thermal transmittance value of the wet construction (with critical moisture content): Uwet = W / m² K. These variations affect decisively the energy losses through the enclosures of the building, easily amounting to more than 10% increases for typical walls as the tested one. Conclusions The Glaser method has been a common method used to evaluate the hygroscopic equilibrium in an enclosure taking into account the vapor diffusion through the wall. However, this method does not allow considering neither the capillary moisture transport component nor the capacity storage of moisture adsorption, which reduces the risk of damage in case of condensation. Therefore its application is limited to light structures. Moreover, in practice many hygroscopic building materials are very often, and on the other hand, the reduction of execution times leads to an increased presence of damp building, making it necessary to use models to evaluate the performance of the cladding under transient conditions and to allow considering the variations in moisture storage capacity of such materials. Thus, the Glaser method is not suitable to evaluate situations arising from the presence of moisture in building, rainfall, or rising damp, needing in these cases a simulation to be done using dynamic methods. ECOEFFICIENCY AND MATERIALS 61

10 Referencias Castro C.«El código técnico de la edificación y las condensaciones en sistemas constructivos de cubierta plana». AI, Diciembre 2005, pp Künzel, H.M.: Moisture Risk assesment of roof constructions by computer simulations in comparison to the standard Glasser Method. International Building physics conference. Eindhoven Normas UNE EN 13788, Aenor Solé, J. «Cálculo de Condensaciones Intersticiales». MI, pp References Castro C.«El código técnico de la edificación y las condensaciones en sistemas constructivos de cubierta plana». AI, Diciembre 2005, pp Künzel, H.M.: Moisture Risk assesment of roof constructions by computer simulations in comparison to the standard Glasser Method. International Building physics conference. Eindhoven Normas UNE EN 13788, Aenor Solé, J. «Cálculo de Condensaciones Intersticiales». MI, pp EUROPEAN CONFERENCE ON ENERGY EFFICIENCY AND SUSTAINABILITY IN ARCHITECTURE AND PLANNING