Envolvente del edificio ante la calefacción y refrigeración
En este artículo se tratará de analizar cómo influyen los diferentes parámetros de la envolvente de un edificio en su demanda energética para calefacción y refrigeración.
Se estudiará igualmente la sensibilidad que cada parámetro analizado tiene sobre la demanda energética del edifico y se aporta las conclusiones del caso de estudio.
Metodología
- Primero, se considerará un edificio como ejemplo en el que se dispondrá una envolvente con unos parámetros “de base” y se calculará pare este caso la demanda energética “de base” tanto para calefacción como para refrigeración.
- Seguidamente, se repetirán los cálculos modificando uno a uno los parámetros característicos de la envolvente dentro de un rango de variación y en cada caso se obtendrán unas nuevas demandas de calefacción y de refrigeración.
- Finalmente, se tabularán los resultados y se expresarán los resultados en forma de gráficos para una lectura más rápida.
Para generar la geometría 3D se ha usado Sketchup, el modelo energético se ha completado con OpenStudio, el cálculo se ha realizado con EnergyPlus y finalmente para los cálculos paramétricos se ha usado jEplus.
Perfil edificio caso de estudio
Como punto de partida, hay referencias al Documento Básico de Ahorro de Energía DB HE (Código técnico). La geometría del edificio se recoge en los siguientes esquemas:
Construcción: Las características de la envolvente para el caso base se han ajustado para respetar los valores propuestos en la tabla 3.1.1a de valores límite del DB HE1.
Perfiles ocupacionales: Se han considerado unos perfiles ocupacionales que respetan los que se establecen en la Tabla b del Anejo D del DB HE.
Temperaturas de consigna: Para las zonas térmicas de vivienda se han establecido las temperaturas de consigna de acuerdo con la Tabla a del Anejo D del DB HE.
Infiltración y Ventilación: Se considera una infiltración derivada de la hermeticidad de la envolvente de 0,20 ACH y complementariamente una tasa de ventilación variable en función de la ocupación de 4l/s/persona lo que conduce a una tasa de transferencia de aire de 0,46 renovaciones hora en las horas de plena ocupación.
Se ha considerado también una renovación de aire adicional durante las noches de verano de 4 ACH para aprovechar el potencial del enfriamiento nocturno.
Emplazamiento: El edifico se calculará como si estuviese emplazado en Barcelona con una orientación Norte – Sur.
Resumen parámetros “de base”: En la tabla siguiente se resumen los parámetros de base utilizados.
(*) El hecho que se respeten los coeficientes limite impuestos por el DB HE no presupone que se cumpla en su integridad el DB HE ya que no se han verificado ni el valor K para el conjunto del edificio ni tampoco los valores límite de Energía Primaria que se establecen en el DB HE0
Puentes Térmicos: Se han incluido en el cálculo el efecto de los puentes térmicos que representan los capialzados, los contornos de ventana, así como las intersecciones de fachada con los forjados intermedios.
Resultado caso base
Tras recopilar los datos relativos a la demanda anual. En el grafico siguiente se visualiza la demanda mensual de calefacción o refrigeración.
A continuación, se puede visualizar la aportación a las perdidas de los diferentes componentes de la envolvente del edificio.
En los meses de calefacción las pérdidas están “dominadas” por la transferencia de aire (Infiltración + ventilación) seguido por las ventanas y las fachadas.
- Los puentes térmicos tienen una aportación similar a la de las cubiertas.
De modo análogo podemos visualizar la contribución a las ganancias de calor.
Las ganancias de calor en el edificio están determinadas durante todos los meses por las ganancias derivadas de la utilización del edificio (ocupación + iluminación + equipos) y por la contribución a la captación solar de las ventanas (favorable en los meses de invierno, pero desfavorable para los de verano).
Efectuando un balance mensual de pérdidas y ganancias limitado a los elementos de la envolvente obtendremos.
- Se puede observar que las ventanas tienen un efecto favorable de captación solar en los meses de invierno (excepto para diciembre y enero en donde su efecto es prácticamente neutro en el balance ganancias – perdidas) mientras que en los meses de verano su efecto es claramente contraproducente ya que colaboran de forma decidida al sobrecalentamiento.
- Las fachadas tienen un efecto desfavorable de disipación térmica en los meses de invierno y prácticamente neutro en los meses de verano (solo en Julio y Agosto se aprecia un ligero
efecto contraproducente al incrementar las ganancias que favorecen el sobrecalentamiento). - Las cubiertas tienen un efecto desfavorable tanto en los meses de invierno como en los de verano ya que colaboran a la perdida de calor en invierno y al sobrecalentamiento en verano.
- La contribución de los puentes térmicos no es despreciable durante los meses de calefacción e inapreciable en los de refrigeración.
- La transferencia de aire (Infiltración + ventilación) es claramente desfavorable en invierno ya que colabora primordialmente en las perdidas mientras que es favorable en verano (debido al efecto del enfriamiento gratuito durante las noches de verano).
Análisis de sensibilidad
Una vez analizado el “caso base” se nos plantea la cuestión de evaluar la sensibilidad que tiene cada parámetro para ello repetiremos los cálculos variando uno a uno el valor de cada parámetro en un intervalo de -20% a + 20% del valor asignado en el caso base. De esta forma, se puede evaluar las variaciones que presentan un mayor potencial en la reducción de la demanda y aquellos que presentan un mayor riesgo de incrementar la demanda si no se controlan convenientemente.
Variación del nivel de aislamiento en Fachadas
Los resultados para los diferentes niveles de aislamiento en la fachada se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- Se deduce que el aumento del aislamiento en fachadas es beneficioso tanto en calefacción como en refrigeración (en este último caso la incidencia es muy pequeña pero no contraproducente como a veces se opina).
Dos artículos que pueden interesar sobre sí es útil un elevado aislamiento en verano para el sector residencial o qué ocurre cuando aumentamos el aislamiento ¿Puede ser excesivo?
Variación del nivel de aislamiento en Cubiertas
Los resultados para los diferentes niveles de aislamiento en la cubierta se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- Se deduce que el aumento del aislamiento en la cubierta es beneficioso tanto en calefacción como en refrigeración.
Ver artículo de interés sobre técnicas de rehabilitación de cubiertas y azoteas.
Variación de la transmitancia térmica de los Huecos
Los resultados para los diferentes niveles de transmitancia térmica (valor U ) de los huecos se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- Una disminución de la transmitancia de los huecos es beneficiosa para reducir la demanda de calefacción, pero es ligeramente perjudicial para reducir la demanda de refrigeración (raras veces se suele argumentar este aspecto).
- De todas formas en el cómputo anual la reducción de la transmitancia comporta una reducción de la demanda energética conjunta.
Variación del factor solar de los Huecos
Los resultados para los diferentes niveles del factor solar de los huecos se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- Un aumento del factor solar de los huecos comporta una disminución apreciable de la demanda de calefacción, pero un aumento también sensible de la demanda de refrigeración.
- En el balance anual ambos aspectos tienden a compensarse dando una resultante prácticamente neutra.
Variación de la Hermeticidad del Edificio (Infiltración)
Los resultados para los diferentes niveles de hermeticidad del edificio (infiltración de aire) se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- Una disminución de la tasa de infiltración es claramente favorable para reducir la demanda de calefacción y tiene una influencia casi nula en la demanda de refrigeración.
- En el balance anual prevalece la reducción de la demanda de calefacción por lo que será favorable aumentar la hermeticidad del edificio.
- En régimen de verano la infiltración de aire nocturna se mantiene con independencia de la hermeticidad del edificio y es por esta causa que este parámetro es neutro en régimen de
verano.
Variación de la Ventilación
Los resultados para los diferentes niveles de ventilación se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- La reducción de la ventilación es positiva para reducir la demanda de calefacción y prácticamente neutra desde un punto de vista de la demanda de refrigeración.
- El balance anual es positivo para reducir la demanda cuando se reduce la ventilación.
- Debe tenerse en cuenta que una reducción de la ventilación por debajo de ciertos límites puede comportar una disminución inaceptable de la calidad de aire interior por lo que esta medida debe administrarse con cautela.
Variación del umbral de activación de la Protección Solar
Los resultados para los diferentes niveles del umbral de activación de la protección solar se resumen en la tabla siguiente:
Conclusiones:
- La reducción del umbral de activación de la protección solar es neutro para la demanda de calefacción ya que la protección solar no se activa en los meses de invierno.
- Reducir el umbral de activación de la protección solar permite reducir ligeramente la demanda de refrigeración.
- Lógicamente el umbral de activación de la protección solar no tiene trascendencia para los meses de calefacción ya que la protección solar solo se activa en los meses de verano.
Resumen sensibilidad diferentes parámetros
Para poner en contexto conjunto las variaciones de los diferentes parámetros analizados se resumen todos los resultados en un solo gráfico.
1.- Calefacción
Conclusiones:
- Se aprecia que el aumento del aislamiento en fachadas y cubierta, la reducción de la transmitancia térmica de huecos, la reducción de la tasa de infiltración y ventilación conduce a una reducción de la demanda de calefacción mientras que para el factor solar es su disminución lo que permite reducir la demanda de calefacción.
- Consecuentemente la estrategia para los meses de invierno es disponer el máximo aislamiento posible, las mejores ventanas disponibles, pero con un factor solar elevado, mejorar la estanquidad del edificio para reducir las infiltraciones y en la medida de lo posible limitar la ventilación sin comprometer la calidad de aire interior.
2.- Refrigeración
Conclusiones:
- El único factor que destaca por su relevancia es el factor solar de los huecos que debería ser lo menor posible para reducir la demanda de refrigeración.
- Esta conclusión es contradictoria con la encontrada para la calefacción y a no ser que se dispongan de protecciones móviles que pueden estacionalizarse deberá llegarse a un cierto punto de equilibrio entre lo requerido en invierno y lo necesario en verano.
3.- TOTAL (Calefacción + Refrigeración)
Considerando el balance anual se aprecia que:
- Maximizar los aislamientos de fachada y cubierta son globalmente favorables para reducir la demanda anual conjunta.
- Minimizar la transmitancia térmica de los huecos es también globalmente recomendable para reducir la demanda anual conjunta.
- Maximizar la estanquidad (reducir las infiltraciones) es imprescindible para minimizar la demanda conjunta de calefacción y refrigeración.
- Dentro de lo posible y sin comprometer la calidad de aire interior se debería minimizar la tasa de ventilación para reducir la demanda conjunta de calefacción y refrigeración.
- El umbral de activación de la protección solar no parece ser un parámetro calve para afectar a la demanda conjunta del edificio.
- En el caso estudiado, factores solares elevados parecen favorables a reducir la demanda conjunta, aunque sea a expensas de incrementar la demanda de refrigeración ya que la captación solar del edificio siempre puede estacionalizarse mediante protecciones solares que se activen en aquellos periodos que sea necesario.
Consideraciones del análisis
- Las líneas de tendencia con mayor pendiente indicarán los parámetros más determinantes para reducir la demanda energética.
- Hay que tener en cuenta que, para ciertos parámetros, por ejemplo, el aislamiento, los factores mayores que uno representan un aumento del nivel de aislamiento mientras que para otros, por ejemplo la transmitancia térmica de los huecos indican una reducción de la protección térmica del edificio.
- Las conclusiones extraídas de este ejemplo podrían ser ligeramente diferentes para otros edificios.
- La ubicación en otros emplazamientos con diferente reparto entre calefacción y refrigeración podría comportar conclusiones algo diferentes en el cómputo anual conjunto.
- Las variaciones del +20% a -20% de los parámetros no representan esfuerzos técnicos o económicos iguales por lo que la solución que definitivamente quiera adoptarse deberá ser
validada desde un punto de vista de viabilidad técnica y económica. - El análisis de sensibilidad a la variación de cada uno de los parámetros es la metodología idónea para optimizar el diseño de los edificios.
- Este estudio se ha realizado con los datos provenientes de ficheros históricos (diseño mirando al pasado) pero serian diferentes si se usasen los datos prospectivos de ficheros futuros que tomen en consideración el cambio climático (diseño mirando al futuro).
- El estudio caso por caso y emplazamiento por emplazamiento son siempre imprescindibles y las “recetas universales” tienen el riesgo de ser ineficaces en otros escenarios.
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