Qué opciones de diseño son prioritarias para minimizar la demanda energética | Caso de Estudio

Opciones prioritarias en diseño para minimizar la demanda energética

El objeto del presente caso de estudio es identificar y cuantificar los parámetros y sus combinaciones, dentro de las opciones de diseño para minimizar la demanda energética de una vivienda, ubicada en la última planta de un edificio plurifamiliar entre medianeras, emplazado en una climatología como la de Barcelona.

Los resultados y conclusiones del estudio permiten identificar las opciones «óptimas», así como los errores a evitar si se quiere minimizar la demanda de calefacción / refrigeración o la conjunta de las dos.

Características edificio a estudio

1.- Emplazamiento y Climatología

Se considera que el edificio estará emplazado en una climatología como la de Barcelona. Evolución horaria de las principales variables climáticas:

2.- Geometría

Se considera un edificio plurifamiliar entre medianeras tal como se representa en el esquema adjunto:

A efectos de este estudio, se ha elegido como elemento representativo una de las viviendas de la última planta del edificio.

Para el tamaño de las ventanas, se ha construido el mismo modelo reduciendo / ampliando en un 30 % el ancho de cada hueco (y del registro de persiana asociado al mismo). Con las siguientes características:

Superficie vivienda: 80.1 m2

• Volumen vivienda: 240.3 m3
• Superficie Ventanas: 10.56 m2 / 6.84 m2 / 13.68 m2
• Superficie total fachadas: 46.95 m2
• Superficie neta fachadas: 36.39 / 40.11 / 33,27 m2
• Ratio Ventanas / Fachada: 22.5 % / 14.5 % / 29.1 %

3.- Condiciones operacionales y perfiles de uso

Se han utilizado las condiciones operacionales y los perfiles de uso que se indican en el Anejo D del DB HE:

Se han usado estos datos por estar referenciados en la reglamentación española, aunque se puede poner en duda su representatividad especialmente para edificios diseñados «para el futuro».

4.- Construcciones

5.- Casos parametrizados

• La protección solar se activa mediante un umbral (parametrizado) de radiación solar incidente sobre el hueco en los meses de junio a septiembre.
• Adicionalmente a la infiltración y la ventilación, se ha considerado una ventilación adicional de 4 ACH para las noches de junio a septiembre.

Cálculo y resultados

Los modelos se han construido con la ayuda de OpenStudio para ser calculados con el motor de cálculo Energy Plus apoyándose en JEplus para efectuar la parametrización y la tabulación de resultados.

? Parámetros individuales: En primera instancia, se efectúan los cálculos del caso base y con la variación uno a uno de los diferentes parámetros considerados, de esta forma se puede visualizar el impacto que cada parámetro tiene sobre la demanda de calefacción, la de refrigeración y la conjunta (suma de calefacción y refrigeración)

1.- Orientación

• Se observa como la orientación Sur es óptima para reducir la demanda de calefacción, para minimizar la demanda de refrigeración la orientación Norte es la más adecuada, en conjunto en la orientación sur es la preferible en las circunstancias en que se ha efectuado el cálculo (Ver diseño bioclimático en fachadas de viviendas).
• En otras zonas climáticas con mayor peso de la refrigeración es muy posible que el “mantra” de la orientación Sur como la más aconsejable podría ponerse en tela de juicio (Ver caso estudio cómo afectará el cambio climático al diseño de edificios).
• En edificios diseñados con perspectivas de futuro en donde la resiliencia al cambio climático sea un criterio importante, la orientación Sur también puede ser cuestionada.

2.- Aislamiento en las fachadas

El aumento del espesor del aislamiento en las fachadas en contra de lo que suele opinarse no es “contraproducente” ni en calefacción ni en refrigeración, y consecuentemente maximizar el aislamiento es siempre positivo para reducir las demandas tanto de calefacción como de refrigeración (Ver caso estudio ¿Puede ser el aumento de aislamiento «excesivo» en un edificio?).

En el ejemplo planteado, la superficie reducida de las fachadas en relación a los huecos y la cubierta, hace que sea lógico esperar tenga una trascendencia relativamente pequeña, no sería probablemente lo mismo para una planta intermedia, donde el efecto de la cubierta desaparecería.

3.- Aislamiento en cubiertas

Se aprecia claramente como el incremento del espesor del aislamiento en las cubiertas tiene un impacto positivo para la reducción de la demanda tanto de calefacción como la de refrigeración por lo que siempre debería maximizarse el aislamiento para reducir la demanda del edificio.

Resulta ser falsa la aseveración que un aumento de aislamiento pueda ser negativo para la reducción de la demanda tanto de calefacción como en la de refrigeración

• En este caso concreto, la importancia del aislamiento de la cubierta se presenta como más eficaz que el de la fachada, esto es debido a la mayor superficie de cubierta en relación a la superficie neta de fachada.
• En edificios con preponderancia de la superficie de cubierta en relación a la fachada, el sobre aislamiento de la cubierta es recomendable.

? Nota: De interés el artículo sobre materiales aislantes: propiedades, tipos y cuándo utilizarlos en rehabilitación.

4.- Ratio ventanas

Se aprecia claramente como el aumento de la superficie acristalada es beneficioso para reducir la demanda de calefacción, pero resulta perjudicial ya que el aumento de la demanda de refrigeración es muy elevado.

Solo en climatologías muy benignas en régimen de verano, tiene sentido aumentar la ratio de superficie de ventanas en relación al de fachadas

• En edificios en climatologías más severas en régimen de verano, la contención con el tamaño de las ventanas puede ser un gran aliado para reducir la demanda de refrigeración.
• En diseños orientados al futuro con mayor peso de la refrigeración, resultará primordial prestar especial atención a este parámetro si no se quiere que los recintos sufren de sobrecalentamiento.

5.- Transmisión térmica ventanas

Este gráfico, está presentado de forma que el aumento de la transmitancia térmica de las ventanas (lo que equivale a decir a una reducción de su calidad) está representado de forma creciente hacia la derecha.

Empeorar la calidad de la transmitancia térmica de las ventanas comporta un aumento de la demanda de calefacción, pero también una reducción de la demanda de refrigeración.

• Mejorar la calidad térmica de las ventanas es una opción interesante en climatologías con severidad de invierno elevada, pero no es una de las alternativas aconsejables desde una perspectiva de reducir la demanda de refrigeración, y la elección de las características de las ventanas deberá hacerse de forma equilibrada según el balance invierno / verano.
• En el caso del estudio, el balance entre invierno y verano hace que la variación de la demanda conjunta sea casi indistinta en relación a la calidad de las ventanas, por lo que en este caso, la variación de la calidad sólo juega un papel «secundario».

6.- Factor solar ventanas

La reducción del factor solar de los huecos (aumento de la protección solar) conduce a un aumento de la demanda de calefacción y a una reducción de la demanda de refrigeración.

En el caso de la climatología estudiada, el balance anual de la mejora de la protección solar del vidrio es ligeramente positivo por lo que parece recomendable (De interés acristalamiento de cerramientos).

• En otras climatologías con temporadas de calefacción más severas, no parece pues aconsejable aumentar la protección solar del sistema de vidrios y viceversa para los emplazamientos en climatologías más severas en verano.
• La selección del factor solar del sistema de vidrios debe efectuarse de forma conjunta – invierno / verano – con el fin de que el balance anual quede optimizado.
• En diseños con visión de futuro para adaptarlos al cambio climático, se recomendaría prestar especial atención a las demandas de refrigeración futuras y primar, ese criterio por encima de la contención de la demanda de calefacción que deberá controlarse mediante otros parámetros.

7.- Persianas bajadas

Bajar las persianas (o disponer de elementos móviles de protección solar) permite controlar la captación solar del edificio para adaptarlo mejor a las necesidades puntuales.

Habida cuenta que, en la hipótesis de cálculo, se ha excluido el uso de este parámetro durante la temporada de calefacción, resulta obvio que no afecta a la demanda de calefacción (no porque no tendría incidencia, sino porque su efecto está anulado por el usuario).

En cuanto a la demanda de refrigeración, el hecho de aumentar la protección solar tiene un impacto muy positivo para reducir la demanda de refrigeración, por lo que se debería usar al máximo. Siempre teniendo en cuenta que este aumento de la protección solar afectará negativamente a la disponibilidad de iluminación natural.

La protección solar móvil (Toldos, persianas, etc) es altamente recomendable e imprescindible para reducir la demanda de refrigeración sin alterar la demanda de calefacción, y debe analizarse detalladamente, en función de las necesidades de iluminación natural que pueda tener el recinto.

8.- Umbral activación protección solar

Habida cuenta que la protección solar no se activa durante el periodo de calefacción, obviamente no tiene ninguna trascendencia sobre este resultado. Por el contrario, cuando antes se activa la protección solar menor es la demanda de refrigeración, por lo que esta puede ser una alternativa para reducir la demanda de refrigeración.

En climatologías severas en régimen de verano, conviene activar la protección solar móvil cuanto antes posible

9.- Infiltración de aire

La falta de hermeticidad de la envolvente tiene un efecto “nefasto” sobre la demanda de calefacción, y un ligero efecto positivo para la reducción de la demanda de refrigeración que ni de mucho llega a compensar la degradación provocada por la falta de hermeticidad durante la época de invierno.

Solo en climas absolutamente benignos en régimen de invierno, es posible considerar no hacer todos los esfuerzos técnicamente posibles para reducir la falta de hermeticidad de los edificios

10.- Ventilación

La ventilación mantenida dentro de los márgenes considerados y proporcional a la tasa de ocupación, no tiene ninguna relevancia sustancial para modificar la demanda de calefacción o refrigeración, por lo que la tasa de ventilación asociada al uso de los ocupantes del edificio debe ser la adecuada para mantener la calidad de aire interior.

Podría ser diferente sí la tasa de ocupación fuese más elevada o si la distribución horaria de la ocupación fuese diferente de la considerada.

Sensibilidad parámetros individuales

Como que los diferentes parámetros tienen diferentes rangos de variación y proporcionan variación sobre las demandas energéticas, el análisis de sensibilidad presenta en un mismo gráfico la variación porcentual de cada parámetro individual, y la variación porcentual de la demanda energética en relación a un caso usado como «base».

Las líneas cuasi horizontales representan parámetros poco sensibles para reducir o aumentar la demanda, mientras que las líneas fuertemente inclinadas representan parámetros cuya incidencia positiva o negativa es muy trascendente.

1.- Sensibilidad a la demanda calefacción

Se observa como la hermeticidad del edificio es el parámetro que ofrece mayores rangos de variación y con una pendiente más acusada.

• La disminución de la transmitancia térmica de las ventanas es un buen aliado para reducir la demanda de calefacción, pero es especialmente notorio la capacidad de degradación que tiene cuando se usan ventanas menos eficientes que las consideradas de base.
• El aumento del aislamiento (en este caso especialmente en cubiertas) tiene un efecto importante y positivo para la reducción de la demanda de calefacción.

2.- Sensibilidad demanda refrigeración

En este caso, la ratio de superficie de ventanas en relación a superficie de fachadas, el factor solar de las ventanas y la protección solar mediante dispositivos móviles, ofrecen la máxima sensibilidad para reducir la demanda de refrigeración (aire acondicionado) mientras que los otros parámetros se muestran como menos eficaces para controlar la demanda de refrigeración.

• Limitar la superficie de ventanas es crucial para minimizar el sobrecalentamiento de edificios. Aumentar la protección solar ya sea mediante el control del factor solar o la disponibilidad de protecciones móviles es también un aspecto crítico para limitar la demanda de refrigeración.
• El aumento del aislamiento es también un factor influyente para reducir la demanda de refrigeración, por lo que es recomendable tanto para la calefacción como para la refrigeración.
• Reducir la transmitancia térmica de las ventanas (mejorar sus prestaciones) tiene un efecto negativo para reducir la demanda de refrigeración, por lo que en caso de optar por esta estrategia debido a las necesidades de calefacción sería preciso complementarlo con medidas “contundentes” de protección solar.

3.- Sensibilidad demanda conjunta

Considerando conjuntamente las demandas de calefacción y refrigeración se aprecia que la ratio de huecos en relación a fachadas, la hermeticidad del edificio, el aislamiento de la cubierta y la disponibilidad de protecciones móviles, son las opciones de diseño a estudiar con mayor precisión con el fin de reducir la demanda conjunta de calefacción y refrigeración, siendo todos los otros parámetros menos relevantes.

Combinaciones de parámetros

El análisis de los parámetros de forma individual o en forma de sensibilidad, no permite ver el efecto que tienen las diferentes combinaciones de parámetros. Muchos de ellos tienen efectos positivos o negativos, según sea reducir la demanda de calefacción, la de refrigeración o el conjunto de los dos.

Por lo señalado en el párrafo anterior, tiene sentido analizar de forma combinada los efectos de todos los parámetros.

• Eficiencia energética edificios: optimización o minimización

Las combinaciones de todos los parámetros arrojan (en este caso) un total de 1,080,000 casos diferentes, que obviamente no son calculables ni analizables con los ordenadores convencionales por lo que se procede a extraer una muestra aleatoria de 1,850 casos, lo que proporciona un 99% de confianza estadística, con un error estimado de 3%.

Una vez efectuados todos los cálculos, se procede a ordenar los resultados en función de la demanda de calefacción / refrigeración y conjunta.

Hecha la ordenación, podemos identificar los parámetros que minimizan estas demandas para las 20 primeras combinaciones «óptimas» y de modo análogo se identifican las 20 últimas combinaciones «pésimas» que deberían evitarse.

1.- Demanda de calefacción

Se puede observar cómo las diferentes combinaciones ofrecen resultados con variaciones importantes entre sí, lo que justifica tratar de identificar aquellas que son adecuadas y aquellas que no son adecuadas.

Para calefacción con los 20 «Mejores»:

Los parámetros que aparecen de forma sistemática en el ranking de las 20 mejores soluciones, son las claves para alcanzar resultados óptimos

La orientación Sur, aparece siempre como la preferible, la hermeticidad máxima del edificio también figura siempre como la más aconsejable, las ventanas con baja transmitancia térmica
(mejores de las habituales) y los espesores de aislamiento en cubierta por encima de lo habitual, se identifican también como un parámetro clave para la reducción de la demanda de calefacción.

En cuanto a la superficie de huecos, parece que las ventanas de tamaños medianos y grandes son las más recomendables, aunque es posible también llegar a niveles de demanda energética reducida, con superficies de huecos también reducidos.

Para calefacción con los 20 «Peores»:

Tan importante es identificar las combinaciones que conducen a resultados óptimos, cómo es interesante identificar cuales producen efectos nefastos

En este caso se identifican la orientación Norte, la hermeticidad escasa del edificio, los espesores bajos de aislamiento como los parámetros a evitar a toda costa desde un punto de vista de reducir la demanda de calefacción.

2.- Demanda de refrigeración

Se puede observar que las diferentes combinaciones ofrecen resultados con variaciones importantes entre sí, lo que justifica identificar aquellas que son adecuadas y aquellas que no son adecuadas.

Para refrigeración con los 20 «Mejores»:

La orientación Norte es claramente la más favorable, el uso de protecciones solares móviles efectivas activadas desde fases muy iniciales son también parámetros clave.

Los espesores de aislamiento elevados, tanto de fachadas como de cubiertas aparecen de forma sistemática como parámetros contribuyentes a obtener mínimas demandas de refrigeración.

Para refrigeración con los 20 «Peores»:

Entre los parámetros a evitar figuran: el ratio elevado de ventanas y las orientaciones Este u Oeste.

3.- Demanda Conjunta

Se puede observar cómo las diferentes combinaciones ofrecen resultados con variaciones importantes entre sí, lo que justifica identificar aquellas que son adecuadas y aquellas que no son adecuadas.

Para la conjunta con los 20 «Mejores»:

• La orientación Sur y la hermeticidad del edificio aparecen de forma sistemática como parámetros clave.
• Los espesores elevados de aislamiento suelen ser recomendables, aunque es posible obtener baja la demanda conjunta con espesores de aislamiento moderados siempre que estén compensados con otros parámetros.
• Las ventanas de baja calidad (alta transmitancia térmica) sólo son viables cuando se asocian a aislamientos de muy alto espesor.

Para la conjunta con los 20 «Peores»:

• Se deberían evitar las orientaciones Oeste y Este ya que figuran entre las “peores” combinaciones.
• Las tasas de infiltración elevadas (baja hermeticidad) son también desaconsejables y deberían evitarse.
• Las ventanas de bajas prestaciones o los aislamientos de bajo espesor no deberían usarse. Protecciones móviles de baja eficacia o asociadas a umbrales de activación elevados
  deberían evitarse.

Consideraciones finales

• Las opciones de diseño son diferentes según que se desee minimizar la demanda de calefacción / refrigeración o conjunta, por lo que se deberán buscar opciones o combinaciones de opciones que mantengan el “equilibrio” entre los diferentes objetivos de minimización.
• Las conclusiones que se han ido mencionando en los párrafos anteriores, ponen de manifiesto que existen “contradicciones” entre las opciones de diseño en régimen de invierno / verano y que el balance entre ellas depende de la climatología donde se encuentre el edificio.
• Los resultados obtenidos serían sustancialmente diferentes, si se usasen otros perfiles ocupacionales u operacionales del edificio, por lo que la plausibilidad de las hipótesis, especialmente “mirando al futuro”, deberían ponerse en el punto de partida del análisis.
• Las conclusiones extraídas de este caso, no pueden aplicarse de forma automática o mimética a otras tipologías de edificios o exposiciones climáticas.
• Las conclusiones extraídas «mirando al pasado» (con ficheros climáticos históricos) pueden no ser aplicables a edificios diseñados “mirando al futuro” resilientes al cambio climático.
• El análisis sistemático de las diferentes estrategias de diseño debe considerarse caso por caso para minimizar la demanda energética de los edificios.

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