OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN. DISEÑO Y CÁLCULO DE UN CASO REAL

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1 TRABAJO DE GRADO Grado en Ingeniería de la Energía OPTIMIZACIÓN ENERGÉTICA EN LA EDIFICACIÓN. DISEÑO Y CÁLCULO DE UN CASO REAL Volumen IV Anexo III: Cálculos estudio energético de la vivienda reformada Autor: Director: Departamento: Eduard Pascual Sánchez Francesc Xavier Roset i Juan SARTI Co-Director: - Ponente: - Convocatoria: Mayo 2017

2 Eduard Pascual Sánchez A la vivienda reformada se le puede aplicar el Documento Básico HE: Ahorro de energía porque sigue cumpliendo con la limitación de los huecos, ya que no se han realizado reformas en la situación de los mismos en la fachada, ni se han aumentado o disminuido de tamaño, además se ha mantenido la misma cantidad de huecos. La vivienda de estudio se encuentra en una zona climática C2 y los espacios interiores se siguen clasificando de la misma forma. A3.1.Cerramientos en contacto con el exterior Según indica el DBHE, este apartado está aplicado a los cerramientos opacos que se encuentran en contacto con el aire exterior. Se calcula la transmitancia térmica (U) como (ver ecuación 1): U 1 (Ecuación 1) R T e R Tn (Ecuación 2) Tabla 1: Transmitancia térmica de la fachada reformada - 2 -

3 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real U FM < U MAX W/m 2 K < 0.95 W/m 2 K CUMPLE U FM < U Mlim W/m 2 K < 0.73 W/m 2 K CUMPLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K Tabla 2: Transmitancia térmica de la fachada de la planta garaje mejorada U T < U MAX W/m 2 K < 0.95 W/m 2 K CUMPLE, ESPACIO NO HABITABLE U T < U Mlim W/m 2 K < 0.73 W/m 2 K CUMPLE, ESPACIO NO HABITABLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K A3.2.Huecos Otro punto a analizar son los huecos, porque son una de las principales fuentes por donde se disipa calor en las viviendas. Para el cálculo de la transmitancia térmica de los huecos se utiliza la siguiente ecuación: U ( 1 FM) UH VFM UH M (Ecuación 3) - 3 -

4 Eduard Pascual Sánchez Donde FM es la fracción del hueco ocupada por el marco, UH V es la transmitancia térmica de los vidrios, y finalmente, UH M es la transmitancia térmica de los marcos. En nuestro edificio de estudio existen cinco tipos de ventanas: - Tipo 1: 1,5x1,3m (fachadas sureste, suroeste y noroeste); - Tipo 2: 0,6x1,3m (fachada noreste); - Tipo 3: 2,7x2,1m (fachada noroeste); - Tipo 4: 4,5x1,6m (fachada noroeste); - Tipo 5: 0,4x1,0m (fachada suroeste y noreste). Tabla 3: Transmitancia térmica de la ventana tipo 1 reformada U H1 < U MAX W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H1 < U Hlim SE W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H1 < U Hlim SO W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H1 < U Hlim NO W/m 2 K < 2.60 W/m 2 K CUMPLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K - 4 -

5 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real Tabla 4: Transmitancia térmica de la ventana tipo 2 reformada U H2 < U MAX W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H2 < U Hlim NE W/m 2 K < 2.60 W/m 2 K CUMPLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K Tabla 5: Transmitancia térmica de la ventana tipo 3 reformada U H3 < U MAX W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H3 < U Hlim NO W/m 2 K < 2.60 W/m 2 K CUMPLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K - 5 -

6 Eduard Pascual Sánchez Tabla 6: Transmitancia térmica de la ventana tipo 4 reformada U H4 < U MAX W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H4 < U Hlim NO W/m 2 K < 2.60 W/m 2 K CUMPLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K Tabla 7: Transmitancia térmica de la ventana tipo 5 reformada U H5 < U MAX W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H5 < U Hlim SO W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE U H5 < U Hlim NE W/m 2 K < 4.40 W/m 2 K CUMPLE REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K - 6 -

7 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real A3.2.1.Factor solar modificado en huecos y lucernarios En este apartado se analiza el factor solar modificado de huecos, teniendo en cuenta que no existen elementos añadidos a los huecos que puedan hacer sombra, y únicamente tendremos en cuenta los retranqueos y las persianas. Para obtener los valores del factor solar modificado utilizaremos la siguiente expresión: F FS [( 1 FM) g FM 0,04 ] (Ecuación 4) Donde F S es factor de sombra del hueco (obtenido en las tablas 20 y 21 en la página 13 del Anexo 2) en función del dispositivo de sombra (en caso de que no se justifique adecuadamente el valor de F s, se debe considerar igual a uno); FM es la fracción del hueco ocupada por el marco, g es el factor solar de la parte transparente del vidrio (facilitada por el fabricante), y α es la absortividad del marco en función de su color (obtenida de la tabla 22 en la página 13 del Anexo 2). Se estudian los factores de sombra de ambos casos, teniendo en cuenta que: - El color del marco de las ventanas es el mismo para todas: blanco claro (α = 0,2). - El ángulo de las lamas es el mismo para todas: ß = 0. - El factor R es el mismo para todas: R = 0,3m. Tabla 8: Factor solar modificado para ventanas tipo 1 con lamas horizontales reformadas - 7 -

8 Eduard Pascual Sánchez Tabla 9: Factor solar modificado para ventanas tipo 1 con retranqueo reformadas En cada tipo de ventana y en cada orientación del factor solar modificado se valora siempre el peor entre ambos casos. En las ventanas tipo 1 se han obtenido los siguientes resultados: F H1 < F Hlim SE W/m 2 K < - PARA ESTE PORCENTAJE DE HUECOS EL CTE NO LIMITA DE FACTOR SOLAR DE HUECOS F H1 < F Hlim SO W/m 2 K < - PARA ESTE PORCENTAJE DE HUECOS EL CTE NO LIMITA DE FACTOR SOLAR DE HUECOS F H1 < F Hlim NO W/m 2 K < - PARA ESTE PORCENTAJE DE HUECOS EL CTE NO LIMITA DE FACTOR SOLAR DE HUECOS REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K - 8 -

9 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real Tabla 10: Factor solar modificado para ventanas tipo 2 con lamas horizontales reformadas Tabla 11: Factor solar modificado para ventanas tipo 2 con retranqueo reformadas En cada tipo de ventana y en cada orientación del factor solar modificado se valora siempre el peor entre ambos casos. En las ventanas tipo 2 se han obtenido los siguientes resultados: F H2 < F Hlim NE W/m 2 K < - PARA ESTE PORCENTAJE DE HUECOS EL CTE NO LIMITA DE FACTOR SOLAR DE HUECOS REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K - 9 -

10 Eduard Pascual Sánchez Tabla 12: Factor solar modificado para ventanas tipo 3 con lamas horizontales reformadas Tabla 13: Factor solar modificado para ventanas tipo 3 con retranqueo reformadas En cada tipo de ventana y en cada orientación del factor solar modificado se valora siempre el peor entre ambos casos. En las ventanas tipo 3 se han obtenido los siguientes resultados: F H3 < F Hlim NO W/m 2 K < - PARA ESTE PORCENTAJE DE HUECOS EL CTE NO LIMITA DE FACTOR SOLAR DE HUECOS REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K

11 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real Tabla 14: Factor solar modificado para ventanas tipo 4 con lamas horizontales reformadas Tabla 15: Factor solar modificado para ventanas tipo 4 con retranqueo reformadas En cada tipo de ventana y en cada orientación del factor solar modificado se valora siempre el peor entre ambos casos. En las ventanas tipo 4 se han obtenido los siguientes resultados: F H4 < F Hlim NO W/m 2 K < - PARA ESTE PORCENTAJE DE HUECOS EL CTE NO LIMITA DE FACTOR SOLAR DE HUECOS REFORMADA: W/m 2 K < ACTUAL: W/m 2 K

12 Eduard Pascual Sánchez A3.3.Condensaciones superficiales Sabiendo que la localidad de Cervelló se encuentra a 122m respecto el nivel del mar, se obtendrá una disminución de 1,2 C respecto los valores de capital de provincia. Los valores de temperatura exterior y humedad relativa de dicha población se encuentran recogidos en la tabla 16. Tabla 16: Valores meteorológicos anuales de la población de Cervelló Para calcular las humedades relativas de Cervelló se debe seguir el siguiente procedimiento: A. La presión de saturación de Barcelona. P t t BAR e e (Ecuación 5) P BAR = 1087 Pa Donde t es la temperatura del aire exterior en el mes de enero en Barcelona. B. La presión de vapor exterior de Barcelona. P P (Ecuación 6) VAPE E BAR P VAPE = 750 Pa Donde Φ e es la humedad relativa del aire exterior en el mes de enero en Barcelona. C. La presión de saturación de Cervelló t t CER e e (Ecuación 7) P P CER = 1001 Pa Donde t es la temperatura del aire exterior en el mes de enero en Cervelló

13 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real D. Humedad relativa de Cervelló. PVAPE 750 CER (Ecuación 8) P 1001 CER Φ CER = = 74.9% H.R. Donde Φ CER es la humedad relativa del aire exterior en el mes de enero en Cervelló. E. La presión de vapor exterior de Cervelló. P P (Ecuación 9) VAPE CER CER P VAPE = 750 Pa Donde Φ CER es la humedad relativa del aire exterior en el mes de enero en Cervelló. Una vez sabemos la presión de vapor exterior de la población donde se encuentra la vivienda a estudiar, se procede a estudiar las condensaciones superficiales de la edificación teniendo en cuenta las peores condiciones climatológicas (durante mes de enero), suponiendo una temperatura interior de la vivienda de 20 C y una temperatura interior del garaje de 15 C. Primero se calculan las condensaciones superficiales que tiene como factores una temperatura interior de 20 C y exterior de 7 C. Son el caso de la fachada y cubierta, y se calculan mediante los siguientes pasos: A. Factor de temperatura de la superfície interior del cerramiento fachada reformada: frsi 1U FM (Ecuación 10) frsi,fm = Donde U FM es la transmitancia térmica de la fachada reformada

14 Eduard Pascual Sánchez B. Factor de temperatura de la superfície interior del cerramiento cubierta: frsi 1U C (Ecuación 11) frsi,c = Donde U C es la transmitancia térmica de la cubierta. C. La presión de saturación en el interior de la vivienda. P t t SATI e e (Ecuación 12) P SATi = 2337 Pa Donde t es la temperatura del aire en el interior de la vivienda. D. La presión de vapor en el interior de la vivienda, considerando una humedad relativa interior del 55% debido a que la higrometría es de nivel 3. P S (Ecuación 13) VAPI P VAPI = Pa Donde Φ I es la humedad relativa del aire interior de la vivienda. I SATI E. La presión de saturación máxima en el interior de la vivienda. P SAT P VAPI CER (Ecuación 14) P SAT = Pa Donde Φ CER es la humedad relativa del aire exterior en el mes de enero en Cervelló

15 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real F. La temperaruta superficial interior mínima de la vivienda. PSAT log e( ) log e( ) PSAT log e( ) log e( ) SI, MIN (Ecuación 15) θ SI,MIN = C G. El factor de temperatura de la superfície interior del cerramiento de fachada reformada y cubierta. SI, MIN E frsi,min I E (Ecuación 16) frsi,min = Donde θ I y θ E son las temperaturas interior y exterior, respectivamente, de la vivienda. frsi,min < frsi,fm < CUMPLE FACHADA REFORMADA: > FACHADA ACTUAL: W/m 2 K Una vez sabemos que el factor de temperatura de la superfície interior del cerramiento de fachada y cubierta cumple con las expecificaciones del DBHE, se calculan las condensaciones superficiales que tiene como factores una temperatura interior de 15 C y exterior de 7 C, correspondientes a los cerramientos de la fachada de la planta garaje mediante los siguientes pasos: A. Factor de temperatura de la superfície interior del cerramiento planta garaje reformada: frsi 1U (Ecuación 17) GM frsi,gm = Donde U GM es la transmitancia térmica de la planta garaje reformada

16 Eduard Pascual Sánchez B. La presión de saturación en el interior del garaje. P t t SATI e e (Ecuación 18) P SATi = 1704 Pa Donde t es la temperatura del aire en el interior del garaje. C. La presión de vapor en el interior del garaje también se considera de una humedad relativa interior del 55% debido a que la higrometría es de nivel 3. P S (Ecuación 19) VAPI P VAPI = Pa Donde Φ I es la humedad relativa del aire interior de la vivienda. I SATI D. La presión de saturación máxima en el interior de la vivienda. P SAT P VAPI CER (Ecuación 20) P SAT = 1252 Pa Donde Φ CER es la humedad relativa del aire exterior en el mes de enero en Cervelló. E. La temperaruta superficial interior mínima de la vivienda. PSAT log e( ) log e( ) PSAT log e( ) log e( ) SI, MIN (Ecuación 21) θ SI,MIN = 12.9 C

17 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real F. El factor de temperatura de la superfície interior del cerramiento de la planta garaje. SI, frsi,min MIN G E E (Ecuación 22) frsi,min = Donde θ E y θ G son las temperaturas exterior y interior, respectivamente, de la planta garaje. frsi,min < frsi,gm < NO CUMPLE PLANTA GARAJE REFORMADA: > PLANTA GARAJE ACTUAL: W/m 2 K A3.4.Condensaciones intersticiales En este apartado se procede a calcular las condensaciones que se forman en cada capa de la vivienda, comprobándose en los cerramientos excepto aquellos que estén en contacto con el terreno de la parcela. Para poder conocer estos valores se debe calcular la distribución de temperatura que se produce en cada capa, para ello, según el edificio a estudiar se debe calcular las condensaciones que se producen a través de la fachada, la cubierta y el forjado: 1. Resistencia total del cerramiento fachada: R T = m 2 K/W. 2. Temperatura superficial exterior del cerramiento fachada: R E R 0.04 ( I E ) 7 (20 7) SE SE (Ecuación 23) T θ SE = 7.14 C Donde θ I y θ E son las temperaturas interior y exterior, respectivamente, de la vivienda, R SE es la resistencia térmica superficial del aire exterior y R T es la resistencia térmica total del cerramiento

18 Eduard Pascual Sánchez Esta ecuación se puede determinar de forma más genérica para calcular el resto de capas: Ri i i 1 ( I E ) (Ecuación 24) R Ti Los valores de cada capa son recogidos en las siguientes tablas (tablas 17 y 18), según el tipo de cerramiento en cuestión. Tabla 17: Cálculo de la temperatura superficial de cada una de las capas de la fachada reformada Tabla 18: Cálculo de la temperatura superficial de cada una de las capas de fachada planta garaje reformada

19 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real 3. Distribución de presión en cada una de las capas: Sd1 P PE ( PI P ) (Ecuación 25) Sd 1 E N Donde P I y P E son las presiones interior y exterior, respectivamente, de la vivienda,y Sd es el espesor del aire equivalente de cada capa (calculado según la ecuación 26). Sd (Ecuación 26) N e N N Donde e N es el espesor de la capa y N es el factor de resistencia a la difusión del vapor de agua (calculado según la ecuación 27). H 2O N (Ecuación 27) N Donde H20 es la permeabilidad del vapor de agua y N es la permeabilidad al vapor del material. Los valores de cada capa son recogidos en las siguientes tablas (tablas 19 y 20), según el tipo de cerramiento en cuestión. Tabla 19: Cálculo de la distribución de presiones en cada una de las capas de la fachada reformada

20 Eduard Pascual Sánchez Tabla 20: Cálculo de la distribución de presiones en cada una de las capas de la fachada planta garaje reformada A3.5.Comportamiento energético de la vivienda Después de haber obtenido la temperatura en cada una de las capas, se calcula la variación de temperatura entre ellas para poder conocer el caudal de aire caliente que se pierde hacia el exterior, siempre se toma el mes más desfavorable para este cálculo (enero). Se calcula mediante la siguiente expresión: Q T (Ecuación 28) R T Siendo T la diferencia entre la temperatura interior y exterior de la vivienda. Tabla 21: Cálculo del caudal de aire caliente que se pierde a través de la fachada reformada hacia el exterior

21 Optimización energética en la edificación. Diseño y cálculo de un caso real Tabla 22: Cálculo del caudal de aire caliente que se pierde a través de la fachada garaje reformada hacia el exterior