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Timestamp: 2018-02-18 19:08:45+00:00

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Tema 2 Limitación de la Demanda Energética by Omar Pabon - issuu
Tema 2. Eficiencia energĂŠtica en edificios
TEMA 2. LIMITACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA 1. La envolvente térmica y la limitación de la demanda energética 2. Exigencia básica HE 1. Limitación de la demanda energética. Marco normativo de la limitación de la demanda energética dentro de la calificación energética 3. Métodos de cálculo
INDICE 1	LA	ENVOLVENTE	TÉRMICA	Y	LA	LIMITACIÓN	DE	LA	DEMANDA ENERGÉTICA 1.1	INTRODUCCIÓN 1.2	LA	DIRECTIVA	2010/31/UE 1.3	BENEFICIOS	DE	UNA	BUENA	ENVOLVENTE	TÉRMICA 1.4	LA	IMPORTANCIA	DEL	AISLAMIENTO	EN	LA	ENVOLVENTETÉRMICA 1.5	LOS	HUECOS	EN	LA	ENVOLVENTE	TÉRMICA 1.6	ESTANQUEIDAD	DE	LA	ENVOLVENTE	TÉRMICA 1.7	INERCIA	TÉRMICA 1.8	CAPTACIÓN	SOLAR	PASIVA 1.9	PROTECCIÓN	DE	LA	RADIACIÓN	SOLAR 2. EXIGENCIA	BÁSICA	HE	1.	LIMITACIÓN	DE	LA	DEMANDAENERGÉTICA. 2.1	ÁMBITO	DE	APLICACIÓN 2.2	PROCEDIMIENTO	DE	VERIFICACIÓN 2.3	CARACTERIZACIÓN	Y	CUANTIFICACIÓN	DE	LAS	EXIGENCIAS 3	MÉTODOS	DE	CÁLCULO 3.1	OPCIÓN	SIMPLIFICADA 3.2	OPCIÓN	GENERAL
1 LA ENVOLVENTE TÉRMICA Y LA LIMITACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA 1.1
La limitación de la demanda energética en el proceso de diseño y construcción los edificios influye de manera determinante en la certificación energética de los mismos. Tiene una gran importancia, ya que una baja demanda significa que las necesidades de consumo energético también son bajas. El diseño arquitectónico, sus materiales, espesores de los mismos, etc., es decir, la envolvente del edificio, son unas decisiones de partida muy importantes que condicionan su rendimiento energético durante todo su periodo de vida útil. Otros sistemas que influyen en la calificación energética son más fácilmente modificables, como las instalaciones, que necesitan procesos de renovación periódica. Sin embargo la envolvente permanece normalmente inalterable a lo largo de los años. La demanda depende, por tanto de la envolvente y de la transmitancia de sus muros y huecos, de los puentes térmicos, etc. y otra serie de factores que se estudiarán en este Tema. Los edificios residenciales y del sector terciario representan el 40% del consumo de energía y del 36 % de las emisiones de dióxido de carbono en la Unión Europea, por lo que no es de extrañarse que en la primera década del siglo XXI los países miembros de la Unión Europea acordaran modificar las políticas de urbanismo y construcción fijando un método para calcular la eficiencia energética de todos los tipos de edificios y normas mínimas de eficiencia energética, así como medidas para controlar el cumplimiento de las normas.
LA DIRECTIVA 2010/31/UE
En el sector de la construcción, la Comisión Europea aprobó la Directiva de Eficiencia Energética en Edificios-EPBD en 2002 (2002/91/CE), refundida en mayo de 2010 como Directiva 2010/31/EU, que incluye una metodología común para calcular la eficiencia energética de los edificios, unos requisitos mínimos de eficiencia energética de los edificios nuevos y rehabilitaciones, sistemas de certificación energética de los edificios, así como los requisitos para las inspecciones periódicas de las calderas y los sistemas centrales de aire acondicionado. La Directiva 2010/31/UE, contempla dos aspectos fundamentales para el sector de la construcción. 1. El concepto de edificio de “energía neta casi nula”. El artículo 2 de la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios define edificio de consumo de energía casi nulo como: “edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto, que se determinará de conformidad con el anexo I. La cantidad casi nula o muy baja 1
de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida “in situ” o en el entorno”. Según el artículo 9, de la Directiva 2010/31/UE, sobre edificios de consumo de energía casi nulo insta a los Estados miembros que: - Como tarde el 31 de diciembre de 2020, todos los edificios nuevos sean edificios de consumo de energía casi nulo. - Después del 31 de diciembre de 2018, los edificios nuevos que estén ocupados y sean propiedad de autoridades públicas sean edificios de consumo de energía casi nulo. Los Estados miembros elaborarán planes nacionales destinados a aumentar el número de edificios de consumo de energía casi nulo. Estos planes nacionales pueden incluir objetivos diferenciados de acuerdo con la categoría del edificio. Para poder determinar el nivel de eficiencia energética dada por la definición del artículo 2 de la Directiva 2010/31/UE en un edificio de consumo de energía casi nulo, se habrán de seguir las indicaciones del Anexo I de esta directiva: 1. La eficiencia energética de un edificio se determinará partiendo de la cantidad, calculada o real, de energía consumida anualmente para satisfacer las distintas necesidades ligadas a su utilización normal, que refleje la energía necesaria para la calefacción y la refrigeración (energía necesaria para evitar un calentamiento excesivo) a fin de mantener las condiciones de temperatura previstas para el edificio y sus necesidades de agua caliente sanitaria. 2. La eficiencia energética de un edificio se expresará de forma clara e incluirá un indicador de eficiencia energética y un indicador numérico del consumo de energía primaria, basado en los factores de energía primaria por el suministrador de energía, que podrá basarse en unas medias anuales ponderadas, nacionales o regionales, o en un valor particular para la generación “in situ”. La metodología de cálculo de la eficiencia energética de los edificios debe tener en cuenta las normas europeas y se ajustará a la legislación correspondiente de la Unión, incluida la Directiva 2009/28/CE sobre fomento de las energías renovables. 3. La metodología deberá establecerse teniendo en cuenta al menos los aspectos siguientes: a) las siguientes características térmicas reales del edificio, incluidas sus divisiones internas: - capacidad térmica, - aislamiento, - calefacción pasiva, 2
- elementos de refrigeración, y - puentes térmicos; b) instalación de calefacción y de agua caliente, y sus características de aislamiento; c) instalaciones de aire acondicionado; d) ventilación natural y mecánica, lo que podrá incluir la estanqueidad del aire; e) instalación de iluminación incorporada (especialmente en la parte no residencial); f) diseño, emplazamiento y orientación del edificio, incluidas las condiciones climáticas exteriores; g) instalaciones solares pasivas y protección solar; h) condiciones ambientales interiores, incluidas las condiciones ambientales interiores proyectadas; i) cargas internas. 4. En el cálculo se tendrá en cuenta la incidencia positiva de los siguientes aspectos, cuando resulten pertinentes: a) condiciones locales de exposición al sol, sistemas solares activos u otros sistemas de calefacción o producción de electricidad basados en energía procedente de fuentes renovables; b) electricidad producida por cogeneración; c) sistemas urbanos o centrales de calefacción y refrigeración; d) iluminación natural. En la práctica significa construir edificios y viviendas que, en cualquier clima, requieran un mínimo gasto de energía en calefacción o refrigeración, aportando mayor confort y un significativo ahorro económico, sin afectar los espacios disponibles ni la estética de la envolvente o fachada. La limitación de la demanda energética de la envolvente es uno de los principales factores para cumplir estas expectativas. La aplicación de la Directiva 2010/31/EU al marco jurídico español se ha realizado a través de tres normas: - Código Técnico de la Edificación (CTE), aprobado por el Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo. http://www.codigotecnico.org/cte/export/sites/default/web/galerias/archivos/DB_HE_ abril_2009.pdf - Procedimiento Básico para la Certificación de Eficiencia Energética de Edificios de Nueva Construcción, aprobado por el Real Decreto 47/2007, de 19 de enero. - Reglamento de Instalaciones Térmicas de la Edificación (RITE), aprobado por Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio. 3
BENEFICIOS DE UNA BUENA ENVOLVENTE TÉRMICA
Los edificios tienen que tener el objetivo de garantizar un estándar con una envolvente térmica adecuada y con un buen rendimiento energético. Con una buena protección térmica aumentamos el nivel de confort interior de las personas, ya que la existencia de una adecuada envolvente térmica consigue temperaturas más constantes dentro de los edificios. Sin embargo, Una envolvente térmica no suficiente, produce sensaciones de frío o calor y produciendo diferencias de temperatura de varios grados en las caras internas de los cerramientos en relación con las partes más interiores de los edificios. Una correcta protección térmica en la envolvente del edificio representa un coste medioambiental y económico que hay que asumir como coste inicial, pero los beneficios que se producen durante la vida útil del edificio hacen que el balance sea favorable a invertir en este tipo de soluciones. 1.3.1
Reducción del consumo energético y costes de funcionamiento del edificio.
La construcción de un edificio representa una inversión importante, a la que debe añadirse un coste medioambiental dependiente de múltiples aspectos (urbanización, accesos, orientación, tipología constructiva, materiales utilizados, etc.). Pero también hay un importante consumo energético continuo por el uso del edificio para cubrir las necesidades de los usuarios, climatización, ACS, iluminación, elevación, cocina, electrodomésticos, etc. De todos es factores el que produce el consumo principal de energía en los hogares españoles proviene de las necesidades de climatización. Por lo que para optimizar sus consumos energéticos se hace indispensable disminuir al máximo las pérdidas de energía que se producen mediante intercambios térmicos con el exterior, producidos por un aislamiento deficiente.
Figura 1. Reparto promedio del consumo de energía en los hogares españoles. Fuente. IDAE 2011 4
En la Figura 1 vemos el reparto de consumo de energía en los hogares españoles. De todo este consumo energético de funcionamiento, el porcentaje mayoritario, casi un 50% se debe a la climatización del edificio para alcanzar el confort térmico adecuado. Además, los sectores residencial y terciario, constituidos esencialmente por viviendas y edificios administrativos y de oficinas, utilizan aproximadamente el 40% de la energía final y son causantes de producir elevadas cantidades de CO2. El ahorro potencial de energía se ha estimado podría ser de alrededor un 20%, y se puede realizar principalmente a través de una mejora en las medidas de construcción de los nuevos edificios, en la reforma del parque inmobiliario actual y de las instalaciones que utilizan la energía. Los principales factores que influyen en las necesidades energéticas y el consumo final de energía de un edificio, a parte del factor usuario, son: - Características climáticas de la zona y orientación del edificio: la temperatura exterior, la radiación solar, el número de horas de sol, etc., son factores que afectan a la demanda de energía de los edificios. - Calidad constructiva: forma y volumen del edificio; sección constructiva de fachadas y cubiertas, etc. - Nivel de aislamiento térmico de la envolvente del edificio: características térmicas de los cerramientos que constituyen la capa envolvente del edificio, como son las fachadas, ventanas, cubierta y suelo. - Condiciones de operación y funcionamiento del edificio: se refiere al horario de funcionamiento, el número de ocupantes, la variabilidad de estos en el tiempo, hábitos de higiene, por ejemplo, en la demanda de agua caliente sanitaria; las condiciones de confort que hay que mantener en su interior, etc. - Rendimiento de las instalaciones térmicas y de la iluminación: tipo y uso de instalaciones, sistemas y equipos eficientes. -
Fuentes energéticas (cogeneración).
En el consumo energético influyen por tanto todos estos factores señalados pero uno de los que más determinan el consumo, y por tanto la calificación energética es el grado de protección térmica de la envolvente del edificio, ya que este influye directamente sobre la demanda energética. Si ésta no existe, la demanda energética para cubrir las necesidades de confort será importante mientras que a medida que se disponga de una protección térmica más eficiente, la demanda energética será menor y, consecuentemente, la emisión de CO2, será también más baja. Actualmente la normativa vigente y por tanto el nivel de protección térmica mínimo que hay que usar en un edificio es el Código Técnico de la Edificación (CTE) a través de su documento HE 1 «Ahorro de Energía». El CTE HE-1 sustituyó a la normativa NBECT-79, e introdujo 5
modificaciones que mejoran las escasas exigencias de esta normativa. Las medidas adoptadas en la envolvente del edificio, consisten en disminuir las transmisiones térmicas, mediante el aumento del aislamiento de dicha envolvente. Sin embargo, el proyecto de CTE indicado, no aprovecha en su totalidad las distintas posibilidades de disminución de las necesidades energéticas de un edificio. Es demostrable que se puede aumentar la capacidad de aislamiento en las fachadas de los edificios (tanto en muros como en huecos acristalados), más allá de lo prescrito en el CTE, todo ello manteniendo una buena rentabilidad de las inversiones. Diversos estudios evaluaron cuales deberían ser los valores de aislamiento a alcanzar, con criterios de eficiencia. Para confirmar dichos valores y garantizar por terceros la idoneidad técnica de las propuestas presentadas, se pidió en el año 2005 a ECOFYS (ECOFYS es una consultoría especializada en el desarrollo de técnicas para el ahorro energético y las energías renovables) la realización de un estudio donde se recogieran las propuestas transmitidas a la Administración para mejora del proyecto de CTE. El Estudio ECOFYS obtuvo dos conclusiones: a) Análisis térmico-ecológico: Para cada tipología de edificios y cada zona climática, se estableció el consumo energético específico de acuerdo con las hipótesis de exigencias de aislamiento térmico de su envolvente (NBE-CT-79; Proyecto CTE; «Propuesta mejorada del CTE»). Las reducciones de consumos energéticos que se obtienen es diferente para los diversos casos. En el gráfico de la figura 2 se detallan las disminuciones porcentuales de consumo energético en función de la protección térmica, para cada tipología edificatoria. Aplicar el «Proyecto CTE» a los edificios y situaciones climáticas en vez del NBE-CT-79, puede suponer un ahorro de energía comprendido entre el 16 y el 26%. Si se aplicase la Propuesta mejorada del CTE de Estudio ECOFYS, en vez del NBE-CT-79, el ahorro alcanzado sería sensiblemente superior: entre el 21 y el 38%. La contaminación asociada a los consumos de energía, de acuerdo con las fuentes de energía específicas utilizadas, presenta reducciones en porcentaje parecido a los indicados. Concretamente: 16 a 21% con el CTE y 21 a 34% para la Propuesta mejorada del CTE de Estudio ECOFYS. De acuerdo con estos datos, y considerando la distribución nacional de las tipologías de edificios para viviendas, se tendría la siguiente conclusión: Si las viviendas se realizaran con la protección térmica indicada en la PROPUESTA MEJORADA del CTE del Estudio ECOFYS, el consumo en calefacción + refrigeración, se reduciría en 32,2 % y las emisiones de CO2 disminuirían 30,4%.
Figura 2. Consumo energía Estudio ECOFYS
b) Análisis económico: La disposición de mejores aislamientos en el edificio, supone una inversión suplementaria. Al mismo tiempo, la reducción de consumos energéticos, representa un menor gasto económico para el funcionamiento del edificio, que debe ser el ahorro que permitirá amortizar la inversión. Se han comparado los ahorros e inversiones necesarias para pasar del citado del CTE a la PROPUESTA MEJORADA del CTE del Estudio ECOFYS. Un sencillo análisis revela la alta rentabilidad de las inversiones en todos los casos estudiados, ya que la amortización se produce en un periodo del orden de 4 años. Esto demuestra la eficiencia de la inversión, ya que la vida útil mínima del aislamiento mejorado, es de 40 años según los datos de la UE. Por ello, la conclusión que el estudio ECOFYS revela es que: La amortización media de las inversiones en las viviendas se produce en menos del 10 % de la vida útil del aislamiento potenciado. Posteriormente el estudio “La sostenibilidad en la edificación y la protección térmica de la envolvente del edificio” de F. Igualador de Diciembre de 2007, muestra un ejemplo representativo de todas las viviendas españolas, partiendo de unos conceptos estándar y determinando como afectan los parámetros de consumo energético, protección térmica de la envolvente del edificio y la emisión de CO2 a las viviendas en España. El Estudio parte de las siguientes consideraciones:
- Se consideran dos tipologías edificatorias, correspondientes a una vivienda unifamiliar y otra vivienda plurifamiliar, ambas adosadas. - A cada edificio, se le supone 4 niveles de protección térmica creciente: - "Ninguna protección", que corresponde al edificio tal y como se realizaba antes de las primeras exigencias de protección térmica. - Según la NBE – CT – 79. Normativa que derogó el CTE. - Según el CTE – HE 1. Normativa de obligado cumplimiento vigente. - Estudio ECOFYS: Protección térmica mínima según las recomendaciones de los expertos europeos para los países del sur de la UE (Estudio ECOFYS, Febrero/2004) - Para la obtención del valor a aplicar a la «vivienda promedio española», se ponderan los resultados de cada tipología edificatoria, aplicada a cada zona climática, con el porcentaje de viviendas principales asignado a cada zona. El resultado de lo anterior se resume en la siguiente TABLA 1. ENERGÍA CONSUMIDA
CONSUMO E. PRIMARIA 2
Kwh/m × año
AHORRO CONSUMO E. PRIMARIA 2 Kwh/m × año
Kg CO2/m × año
REDUCCIÓN DE EMISIONES 2 Kg CO2/m × año
CUMPLE NBE CT79
CUMPLE CTE HE 1
ESTUDIO ECOFYS
Tabla 1. Valores específicos de la climatización de la vivienda media española según el escenario de protección térmica Fuente: Estudio “La sostenibilidad en la edificación y la protección térmica de la envolvente del edificio” de F. Igualador Los valores de transformación de demanda de energía a energía primaria consumida y a emisiones de CO2, se han realizado a partir de los cálculos establecidos en documentos de IDAE «Escala de Calificación Energética para Edificios de Nueva Construcción. Documento Divulgativo. IDAE. Febrero/2007)». Los valores correspondientes a la distribución de edificios por tipología y zona climática, se han tomado de las bases de datos de los Ministerios de Fomento y Vivienda. 8
Se aprecia que cuanto mayor es el grado de protección térmica del edificio, menor es el consumo para energético, llegando a ahorros de consumo de energía y reducción de emisiones de CO2 de la mitad de los valores de un edificio sin protección térmica. La demanda de energía disminuye notablemente según de va aumentando el grado de protección térmica. Para ello hay que disponer de un buen aislamiento térmico en las partes ciegas de los cerramientos y potenciar la reducción de pérdidas térmicas en los huecos acristalados mediante carpinterías con roturas de puente térmico y con acristalamientos dobles y tratamientos especiales en sus hojas internas que veremos más adelante. En la TABLA 2 del Estudio, se presentan los costes energéticos y las emisiones de CO2 que supone la creación de cada envolvente térmica. Combinando estos valores con los de la TABLA 1 anterior, se deduce el periodo de amortización ecológico por la presencia de las diversas protecciones térmicas de la envolvente. ENERGÍA
CONSUMO DE ENERGÍA POR LA PROTECCIÓN TÉRMICA
PERIODO AMORTIZA CIÓN
REDUCCIÓN EMISIONES EN CLIMATIZACIÓN
EMISIONES POR LA PROTECCIÓN TERMICA
Kwh/m2 × año
Kg CO2/m2 × año
CUMPLE NBE CT 79
CUMPLE CTE HE1
AHORRO CONSUMO EN CLIMATIZACIÓN
Tabla 2. Costes energéticos y las emisiones de CO2 que supone la creación de cada envolvente térmica Fuente: Estudio “La sostenibilidad en la edificación y la protección térmica de la envolvente del edificio” de F. Igualador Los valores correspondientes a los aislamientos térmicos, se han obtenido del documento «Criteria for Thermal Insulation products for walls and roofs» (Abril/1995, dk-TEKNIK for the Danish Environmental Protection Agency). Los correspondientes a huecos acristalados, de la Base de Datos BEDEC, de ITEC
Como puede observarse, la amortización es siempre menor de un año por lo que el gasto inicial que requiere una envolvente térmica no necesita grandes periodos de tiempo para que sea rentable. 9
Comparación con la vida media de los materiales aislantes
Los materiales aislantes tienen una vida media de 50 años según datos de la Unión Europea, mientras que a los acristalamientos térmicos se estiman en una vida media de 30 años. El promedio ponderado de la vida útil de ambos materiales, por la importancia relativa de los materiales en el ahorro de energía, es por tanto de unos 40 años. Con estos valores, es posible afirmar que una correcta protección térmica es capaz de producir un ahorro de energía y una disminución de las emisiones de CO2, cerca de 60 veces superiores al coste energético de dicha protección térmica. 1.3.3
Comparación con el coste medioambiental de construir el edificio.
La construcción de un edificio lleva tras de sí, un importante gasto en energía y por tanto una emisión e CO2 asociada en proporción. El estudio “La sostenibilidad en la edificación y la protección térmica de la envolvente del edificio”, calcula estos valores para unos edificios de referencia, en este caso un edificio para vivienda individual y un edificio para vivienda colectiva. Para ello usa la Base de Datos BEDEC, de ITEC. ENERGÍA
CONSUMO POR CONSTRUC CIÓN DEL EDIFICIO
REDUCCIÓN CONSUMO EN CLIMATIZACIÓN
PERIODO DE RETORNO ENERGÉ TICO
EMISIONES POR CONSTRUCCIÓN DEL EDIFICIO
PERIODO DE RETORN O ECOLÓ GICO
kwh/m2·año
kg CO2/m2 ·año
CUMPLE CT 79
CUMPLE HE1
TABLA 3. Efecto del consumo de energía primaria y de las emisiones de CO2, según nivel de protección térmica del edificio promedio de viviendas en España Fuente: Estudio “La sostenibilidad en la edificación y la protección térmica de la envolvente del edificio” de F. Igualador Para la necesaria trasformación de datos de energía final a energía primaria y a las emisiones de CO2, se han tomado los coeficientes de paso correspondientes a las últimas tablas de IDAE (2007). 10
La TABLA 3 muestra que los consumos para la construcción del edificio son muy significativos en cuanto a volumen de materiales de construcción (hormigón, ladrillo, yeso, acero, vidrio, etc.), además de otros específicos de menor peso pero de alto contenido en consumo de energía (aluminio, cobre, componentes eléctricos y electrónicos,...). Uniendo estos parámetros a los de valores de energía y emisiones de CO2 de la TABLA 2 se puede apreciar que cuanto mayor es el grado de protección térmica de la envolvente del edificio, tanto menor es el periodo de retorno energético y ecológico. Como hemos visto antes que la vida media de la protección térmica es de unos 40 años, se comprueba que los costes energéticos y de emisiones de CO2 derivados de la construcción de todo el edificio, se amortizan en un periodo muy inferior cuando se dispone de una protección térmica correspondiente al escenario CTE HE 1(exigencia actual mínima) o mejor. 1.3.4
En términos económicos, el gasto inicial necesario para disponer de una envolvente térmica adecuada es muy inferior a los ahorros generados a lo largo de la vida útil del edificio, por lo que invertir en la envolvente para mejora la limitación de la demanda energética es rentable. Para hacer el balance económico, lo primero es evaluar los costes debidos a los aislamientos térmicos y acristalamientos en los huecos y compararlos con el ahorro producido el gasto energético y en emisiones de CO2. Los costes de los materiales se han obtenido del estudio “Bases de precios de materiales aislantes instalados (ANDIMA Junio/2005)” y a efectos de cálculo, la base mínima de hueco acristalado es una ventana corredera de aluminio con un vidrio simple de 6 mm. En España se aplica un espesor estándar, y dependiendo de material aislante empleado, de unos 5 cm de aislante, que comparado con los 12 de Alemania es todavía muy bajo. Pero recordemos que la implementación se va dando paulatinamente, superando obstáculos que la crisis y también las carencias normativas han ido poniendo en el camino de la construcción de viviendas y edificios energéticamente eficientes. Los ahorros en energía y en reducción de emisiones de CO2 son obtenidos de datos oficiales indicados en el documento “E4: Estrategia de ahorro y eficiencia energética en España 20042012. Plan de acción 2008-2012. (IDAE. Julio/2007)”. Allí se indica que la evaluación es: - De origen energético: 480 €/tep de energía primaria (0,04127 €/kwh de energía primaria) - De origen CO2: 0,018 €/t de CO2
El resumen de todo lo calculado se encuentra en la TABLA 4.
INVERSIONES PARA LA PROTECCIÓN TÉRMICA
AHORRO GASTO EN CLIMATIZACIÓN DEL EDIFICIO
AHORRO GASTO ENERGÉTICO
AHORRO REDUCCIÓN EMISIONES CO2
AHORRO GASTO TOTAL
€ / m2·año
€ / m2 ·año
17,1 X 0,04127
3,9 X 0,018
52,1 X 0,04127
11,9 X 0,018
59,9 X 0,04127
13,6 X 0,018
TABLA 4. Efecto del consumo de energía primaria y de las emisiones de CO2, según nivel de protección térmica del edificio promedio de viviendas en España Fuente: Estudio “La sostenibilidad en la edificación y la protección térmica de la envolvente del edificio” de F. Igualador
Como puede apreciarse en la tabla 4 las amortizaciones son de menos de 5 años para las todas las protecciones térmicas de la envolvente del edificio, lo que conduce a rentabilidades netas cercanas al 20% durante los 40 años de su vida útil. El consumo total de energía producido por los edificios podría reducirse de manera significativa mejorando la envolvente de las construcciones, desde sus materiales, un buen aislamiento térmico y unos espesores adecuados y con la minimización de los puentes térmicos y las condensaciones en las envolventes
LA IMPORTANCIA DEL AISLAMIENTO EN LA ENVOLVENTE TÉRMICA
Asociamos el aislamiento térmico con la protección contra el frío y esto ha dado lugar a que en España no se haya concedido en el ámbito de la construcción la importancia que se merece a la capacidad de los materiales aislantes para mejorar la protección térmica de la envolvente en los periodos cálidos. Sin embargo la capacidad de aislamiento de los materiales también afecta a su protección frente al calor.
Los materiales aislantes influyen en el comportamiento final de un cerramiento, ya que su alta resistencia térmica impide que entre o salga calor. Sin embargo, su posición dentro del muro es determinante para el buen funcionamiento térmico de la envolvente. En climas cálidos siempre es aconsejable colocar el aislamiento en el exterior y tener la inercia térmica en el interior. Es fundamental no confundir los conceptos de inercia térmica y aislamiento. La inercia térmica es la capacidad de un material de almacenar calor y es fundamental porque nos garantiza una mayor estabilidad de la temperatura interior y menos dependencia de la fluctuación de la temperatura en el exterior. Pero la masa térmica no aísla. La energía se pierde a través de los paramentos de manera continua. Un muro de hormigón de gran espesor es un claro ejemplo de un elemento constructivo con gran inercia térmica, pero con escasa capacidad de aislamiento. MATERIAL
TRANSMITANCIA TÉRMICA (W/mK)
ESPESOR NECESARIO PARA ALCANZAR 0,3 W/m²K (m)
Tabla 5. Comparación espesores necesarios. Fuente: Passive House Institute PHI.
La Tabla 5 nos muestra el grosor que debería tener un material para cumplir con una transmitancia de 0,3 W/m²K. Se puede observar cómo para conseguir espesores racionales es imprescindible emplear aislamiento. En España existen zonas dónde las pérdidas durante la época fría no son tan importantes, sin embargo hay que considerar también el ahorro energético que supone el uso de un aislamiento térmico adecuado para la época cálida. Al igual que la posición en el interior o en el exterior del muro, es imprescindible una correcta puesta en obra que nos garantice una elevada estanqueidad y ausencia de puentes térmicos. Aislar la envolvente opaca también conlleva que no entra calor desde hacia dentro durante la época fría. Si se comparan las ganancias solares a través de las ventanas con las de la envolvente opaca, éstas últimas tienen mucha menor importancia. Por tanto, las ganancias por radiación solar, necesarias en la época fría del año, se deben regular por los huecos y no por la envolvente opaca. 13
Otro efecto positivo al tener un buen aislamiento es que la temperatura superficial de la cara interior de la envolvente se acerca más a la temperatura de confort que queremos. La sensación térmica dentro de una habitación no es solamente la temperatura del aire sino la suma de la temperatura del aire y la temperatura media de las superficies. En un mismo recinto con 20 ºC de temperatura del aire, podemos sentir sensaciones de frio, calor o bienestar dependiendo de la temperatura de superficie de los cerramientos. La media de las temperaturas del aire y de los cerramientos será la temperatura real de la estancia. Una de los principios de partida más importante en cuanto al aislamiento es conseguir que los edificios funcionen de manera pasiva, conservando el calor o el frío gracias al aislamiento térmico empleando sólo los sistemas activos cuando sean de verdad necesarios. 1.4.1
EL AISLAMIENTO EN EL INTERIOR O EXTERIOR DE LA ENVOLVENTE TÉRMICA
El aislamiento en los muros suele aplicarse por la cara interior aunque también se puede colar por la cara exterior. Aplicar el material aislante por la cara interior es lo más habitual por su facilidad de montaje. Sin embargo, el aislamiento por el exterior en la mayoría de los casos es la mejor opción, porque se reviste homogéneamente la fachada evitando las discontinuidades térmicas, evitando los puentes térmicos y manteniendo la inercia del cerramiento.
Figura 3. Temperaturas según colocación de aislamiento. 14
La colocación del aislamiento por la cara exterior del cerramiento tiene las siguientes ventajas e inconvenientes: - En las obras de rehabilitación se ejecuta con la mínima interferencia para los usuarios del edificio. - Instalado el aislamiento sobre las fachadas, no se reduce la superficie útil del edificio o vivienda. - Se aprovecha la inercia térmica del edificio que queda al interior y estabiliza las temperaturas interiores, consiguiendo mayores ahorros de energía. - Envuelve completamente el edificio con aislante con lo que se evita puentes térmicos y condensaciones. - Las capas de acabado situadas por fuera del aislamiento estarán sometidas a grandes cambios de temperatura que pueden producir esfuerzo térmico y desplazamientos. - Normalmente, al ejecutarse la intervención por el exterior, afectará a la totalidad del inmueble, no sólo a una vivienda o local en particular. 1.4.2
EL AISLAMIENTO INTERSTICIAL EN LA ENVOLVENTE TÉRMICA
Otra opción para la mejora de la capacidad aislante de los muros de cerramiento es el aislamiento térmico intersticial en el muro, es decir, la aplicación de aislamiento en la cámara de aire del interior del cerramiento entre sus diferentes hojas. Esta cámara puede rellenarse con aislamientos térmicos granulares, espumosos o en fibras. Es recomendable utilizar esta solución para rehabilitación, cuando exista cámara de aire ya que no modifica el aspecto exterior del edificio. Este tipo de solución de colocación del aislamiento proporciona algo de inercia térmica al interior del muro y reduce considerablemente el riesgo de condensaciones. La solución, sin embargo, no permite un aislamiento térmico homogéneo ni reduce las posibilidades de que se produzcan puentes térmicos, y requiere una cuidadosa ejecución.
LOS HUECOS EN LA ENVOLVENTE TÉRMICA
Las propiedades naturales del vidrio dejan pasar la radiación solar visible (térmica), de longitud de onda menor de 4 micras, pero bloquean la radiación solar de onda larga, la infrarroja, con lo que el desequilibrio energético producido supone el aumento de la temperatura interior, lo que se denomina efecto invernadero. El CO2 y resto de gases de efecto invernadero presentes en la atmósfera se comportan de forma similar a lo que se ha explicado, produciendo por tanto el mismo efecto que a nivel global es perjudicial por el aumento de temperatura que supone. De forma sencilla, pues, para aprovechar el sol para el calentamiento del edificio hay que introducir toda la energía posible y evitar que se pierda. 15
Respecto a pérdidas de calor, como ya hemos dicho, la radiación infrarroja es bloqueada por el propio vidrio, pero será necesario evitar las pérdidas de calor por conducción. Esa es la principal característica del vidrio: su elevada conductividad térmica que implica que las ventanas sean normalmente el puente térmico más acusado en cualquier edificio. Una cuestión aparte son las pérdidas de calor a través de las carpinterías que pueden ser elevadas en el caso de la utilización de aluminio sin ninguna protección En el calentamiento solar directo a través de las ventanas, lo más importante será realizar un dimensionamiento adecuado de estos elementos para equilibrar la ganancia solar con las pérdidas térmicas. En climas como los predominantes en el sur de Europa el diseño debe preocuparse también del excesivo calentamiento en verano. Convendrá de esta forma tratar las ventanas de forma global, y hacer dependiente su diseño de las condiciones meteorológicas locales. Las pérdidas de calor a través de las ventanas son proporcionales a su coeficiente U, por lo que en general es conveniente reducir el valor de U en todas las orientaciones en las que se coloquen las ventanas.
Para entender el coeficiente global de transmisión de calor U hay que diferenciar entre la U del cristal y el de la ventana entera, que incluye la el efecto de la carpintería. Para cálculos muy precisos deberían ser tenidos en cuenta ambos. Cuando analizamos una fachada con una cámara termográfica se aprecia fácilmente que los mayores puentes térmicos de la fachada lo constituyen las propias ventanas, sobre todo por la elevada conductividad del cristal pero también por la carpintería. Presentan mejor respuesta a estos efectos las carpinterías de PVC o madera y peores las metálicas como el Aluminio. También deberían evitarse en general por su falta de hermeticidad las carpinterías de tipo corredera.
Figura 4. Termografía infrarroja de una lámina de vidrio de mala calidad mostrando una temperatura superficial exterior excesivamente elevada en condiciones de calefacción interior. Fuente: Rafael Royo. 16
Figura 5. Termografía infrarroja de una ventana de aluminio de carpintería de muy mala calidad mostrando una temperatura superficial interior muy baja. Fuente: Rafael Royo. TIPOS DE VENTANAS. DESCRIPCIÓN
COEFIECIENTE U (W/m2K)
Panel triple sellado con revestimiento de baja emisividad
Panel triple sellado con revestimiento de baja emisividad + relleno de argón
Panel triple sellado con revestimiento de baja emisividad + dos revestimientos de baja emisividad
Ventana de vacío (alto vacío)
20 mm de Aerogel (vacío reducido)
Tabla 6. Ejemplo de valores de coeficiente U para distintos tipos ventanas Fuente: Passive House Institute PHI.
Sin embargo, al reducir el coeficiente U se suele reducir la radicación que pasa a través de la ventana y consecuentemente la ganancia térmica solar será menor. 1.5.1
MEJORA DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE LAS VENTANAS
La mejora del comportamiento térmico de las ventanas se consigue a través de la combinación de los siguientes factores de diseño. 1. Incrementar el número de láminas. 2. Ventanas rellenas con diferentes tipos de gases. 3. Ventanas con vacío. 4. Aerogel. 17
5. Diferentes tipos de recubrimientos de baja emisividad. 1.5.1.1. INCREMENTAR EL NÚMERO DE LÁMINAS
La mejor solución suele ser dos, pero puede llegar hasta a tres e incluso a cuatro. El objetivo es buscar el aprovechamiento del efecto aislante de cualquier gas en reposo. Los mejores aislantes térmicos son los gases, en general con conductividades térmicas inferiores a 0,04 W/m2K. Pero para conseguir este efecto aislante debemos asegurarnos de que el gas esté en reposo, puesto que cualquier fluido al producirse una variación de temperatura por calentamiento o enfriamiento tiene lugar una variación de densidad, y en consecuencia en presencia de un campo gravitatorio, el fluido tenderá a moverse en dirección vertical, produciéndose lo que se denomina transición de calor por convección natural. Para evitar dicho desplazamiento lo que se hace es atrapar el gas en un espacio reducido, en el que la propia viscosidad del fluido al entrar en fricción con la superficie de la cámara, impida su movimiento. Dada la pequeña viscosidad de los gases, el espacio de la cámara de la ventana deberá ser muy pequeño, de lo contrario el gas podrá moverse libremente y por tanto transmitir calor por convección. En este sentido es conveniente refutar la idea muy extendida de que cuanto mayor sea el espesor de la cámara de aire del cristal, mejor. Esto sí que puede ser cierto respecto a propiedades de aislamiento acústico, pero no para el térmico.
RESISTENCIA TÉRMICA (m² K W-1)
Tabla 7. Resistencia térmica equivalente de un hueco de aire en función de su espesor. Fuente: WUFI Programa para calcular la transmisión de calor y de humedad en elementos de edificación.
VENTANAS RELLENAS CON DIFERENTES TIPOS DE GASES
Como se ha indicado, el efecto aislante de la cámara de la ventana depende directamente del comportamiento del gas que contiene. La conductividad térmica de un gas en reposo depende de su masa molecular: cuanto más pesa la molécula de gas menos calor conduce. Esta es la 18
razón por la que ha sido práctica común rellenar los aislamientos o las propias ventanas con gases de mayor peso molecular que el aire. Hasta hace algún tiempo fue común la utilización de CFCs para aislamientos de frigoríficos, prohibido en la actualidad por su efecto sobre la capa de ozono. Las ventanas de muy altas prestaciones se rellenan de forma habitual con argón, gas inerte de elevado peso molecular. GAS EN REPOSO
MASA MOLECULAR (kg/kmol)
Tabla 8. Masa molecular y conductividad térmica de diversos gases. Fuente: Wikipedia. VENTANAS CON VACÍO
Se reduce la transmisión de calor a través de la evacuación del espacio entre paneles a una presión sobre 0,01 Pa. En transmisión de calor, la conducción y convección van indisolublemente asociados a la existencia de materia. Así pues, para evitar ambas formas de transferencia de calor, el método más sencillo parece realizar vacío en el interior de la ventana, con lo que sólo quedaría como modo de transmisión de calor la propia radiación, que al menos en el infrarrojo sería ciertamente reducida debido al comportamiento opaco de los cristales respecto a la radiación de esta longitud de onda. Desgraciadamente la realización y sobre todo el mantenimiento del vacío en el interior de la cámara de la ventana es una tarea muy complicada que además de encarecerla, con el tiempo presentará un deterioro de comportamiento, puesto que es ciertamente imposible asegurar el elevado nivel de vacío necesario. AEROGEL
El aerogel es un material con un tamaño medio de célula inferior al recorrido medio de las moléculas de aire. El resultado es un valor de conductividad térmica extremadamente bajo. Sin embargo es caro y no completamente transparente. Como se ha explicado antes hay que asegurar que el gas dentro de la cámara se encuentre absolutamente en reposo, con lo que la mejor solución sería la utilización de un material aislante en el interior de la propia ventana. Pero obviamente este material debe ser trasparente. El Aerogel presenta ambas ventajas que es un material aislante basado en silicatos. Básicamente es aire al 99%. Su conductividad térmica está en el rango de 0,011 a 19
0,013 W/mK, con lo que además se muestra como prácticamente el mejor aislamiento térmico existente en la actualidad. Hasta hace algún tiempo su utilización se limitaba a la industria aeroespacial, pero poco a poco se está introduciendo en aplicaciones más cercanas. DIFERENTES TIPOS DE RECUBRIMIENTOS DE BAJA EMISIVIDAD
Las pérdidas de calor por radiación dependen tanto de la temperatura como de la emisividad. Según diversos fabricantes, las principales estrategias para lograr revestimientos con baja emisividad en el infrarrojo se basan en el apilamiento de capas metálicas y dieléctricas funcionales, incluso con el desarrollo de nano-estructuras capaces de alcanzar emisividades ultra-bajas. Estos recubrimientos deben presentar un comportamiento selectivo con la radiación: deberán ser transparentes a longitudes de onda corta correspondiente al visible, pero presentar baja emisividad en el rango del infrarrojo. Los recubrimientos de baja emisividad se pueden aplicar sobre las dos caras de las láminas de las ventanas. En aplicaciones de aislamiento térmico para calefacción, el recubrimiento de baja emisividad debería ser colocado en las superficies de las láminas que dan al exterior, para de esta forma reducir las pérdidas de calor hacia el entorno. Sin embargo, en aquellos casos donde el problema sea de ganancia de calor en verano, para reducir este aporte de calor, el mencionado recubrimiento de baja emisividad debería encontrarse también en la superficie de las láminas que dan hacia el interior de la vivienda. El comportamiento de este tipo de cristales de baja emisividad puede ser convenientemente caracterizado mediante una cámara infrarroja. A partir de dos cristales calentados hasta una misma temperatura aquel que presente el revestimiento de baja emisividad irradiará menor radiación infrarroja, por lo que aparentemente en una termografía infrarroja aparecerá como más frío.
Figura 6. Termografía de la superficie de dos láminas de ventana: La lámina B muestra menos temperatura por lo tanto presenta menos pérdidas de calor que la A debido a problemas de 20
recubrimiento de baja emisividad o rotura de una de las dos láminas dobles o fuga del gas argón de relleno. Fuente: F. Pinno, Branblenburg University of Applied Sciences. Alemania
De esta manera la cámara infrarroja podría ser considerada un elemento muy útil de control de recepción de este tipo de materiales, puesto que en el visible este tipo de ventanas no se diferencian en nada respecto a las que montan un vidrio común.
ESTANQUEIDAD DE LA ENVOLVENTE TÉRMICA
La capa de aislamiento debe ser continua y totalmente estanca. Es igual de importante el espesor de la capa de aislamiento como que la capa tenga continuidad en todos los paramentos.
Figura 7. Capa continua de aislamiento. Fuente: Passive House Institute PHI.
Si no existe continuidad pueden aparecer puentes térmicos en los puntos de encuentro, que además de ser fuentes de condensaciones suponen una pérdida de energía considerable. En un edificio poco eficiente las pérdidas debidas a puentes térmicos representan un porcentaje pequeño respecto al total, pero en un edificio muy eficiente estas pérdidas cobran más protagonismo. La piel exterior de un edificio debe evitar el paso incontrolado del aire. El volumen de aire que atraviesa las rendijas depende de la presión del viento en la envolvente y la diferencia de temperaturas exterior e interior. El viento no es constante, así que la intensidad del viento será aleatoria y no dependerá en absoluto de la ocupación del edificio. Por otra parte, cuando se 21
incrementa la diferencia de temperatura exterior-interior significa que aumenta el caudal de aire y, por lo tanto, las pérdidas térmicas cuando baja la temperatura exterior. El mal sellado de juntas presenta el inconveniente es la posible penetración de agua exterior en el caso de un fuerte chubasco acompañado de viento. Además, en la epoca fría, una fuga de aire húmedo procedente del interior del edificio que atraviese la capa aislante, puede provocar condensaciones que deterioren el material y produzcan moho y otras patologías. Por lo tanto no es una buena premisa confiar la ventilación del edificio a la permeabilidad de la envolvente. La existencia de rendijas en la envolvente provoca una descompensación en el sistema de ventilación con corrientes de aire que pueden afectar a la confortabilidad en el interior y a la eficiencia energética del edificio. Además una envolvente estanca mejora en gran medida la protección frente al ruido. Estanqueidad al aire no debe confundirse con aislamiento térmico. Ambas propiedades son importantes para la envolvente del edificio, pero por lo general tienen que ser alcanzadas de forma independiente una de la otra. Un buen grosor de aislamiento no suele ser, generalmente hermético. Por ejemplo, puede soplar aire sin problema a través de una manta de fibra de celulosa o de un aislamiento de lana mineral. Son buenos materiales para aislar, pero no herméticos. Por el contrario, un elemento hermético no es necesariamente un buen aislamiento térmico: por ejemplo, una lámina de aluminio es totalmente hermética, pero no tiene prácticamente ningún efecto aislante
La inercia térmica es la dificultad que ofrece un cuerpo a cambiar su temperatura. Ésta tiene una vinculación directa con la acumulación de energía: los cerramientos y locales como mucha inercia acumulan más energía. Así el modo de acumulación de energía óptimo es la utilización de la propia inercia térmica del edificio. Los locales con gran masa térmica son estables térmicamente, como por ejemplo, las cuevas ó los sótanos, donde la masa de la tierra que los rodea les da una gran inercia térmica. Los materiales constructivos con mayor masa, ya sea debida a su volumen o a su densidad, son los que confieren a los edificios del que forman parte, mayor inercia térmica. Los valores altos de la inercia térmica permiten conseguir, en los climas en lo que sea necesario, uno de los objetivos más deseables en un edificio: la estabilidad térmica; la temperatura fluctúa levemente y no se consume excesivamente energía convencional para su mantenimiento. 1.7.1
La masa térmica provoca un desfase entre los aportes de calor y el incremento de la temperatura. Funciona a distintos niveles. 22
En ciclo diario, durante el invierno, la masa térmica estratégicamente colocada almacena el calor solar durante el día para liberarlo por la noche, y durante el verano, realiza la misma función, sólo que el calor que almacena durante el día es el de la casa y lo libera por la noche, evacuándose mediante la ventilación. En ciclo interdiario, la masa térmica es capaz de mantener determinadas condiciones térmicas durante algunos días una vez que estas han cesado: por ejemplo, es capaz de guardar el calor de días soleados de invierno durante algunos días nublados venideros. En ciclo anual, se guarda el calor del verano para el invierno y el fresco del invierno para el verano, no obstante solo la masa térmica del suelo es capaz de realizarlo. El edificio con elevada masa térmica tiene una temperatura sin variaciones bruscas, relativamente estable frente a las condiciones externas. El objetivo de un buen diseño será conseguir que esta temperatura sea agradable. Una masa térmica elevada no es aconsejable para edificios de uso ocasional, ya que en este caso las condiciones de temperatura son irrelevantes salvo en los momentos en que permanezcan habitados, para lo que requieren ser calentadas o enfriadas rápidamente. Y rapidez y masa térmica no son compatibles. Generalmente, los materiales de construcción pesados actúan como una eficaz masa térmica: muros, suelos, techos gruesos, piedra, hormigón, ladrillo. Si se colocan estratégicamente para recibir la radiación solar tras un cristal, funcionan en ciclo diario. Repartidos adecuadamente por toda la casa, funcionan en ciclo interdiario. 1.7.2
CARACTERISTICAS DE LA INERCIA TÉRMICA
La inercia térmica es un concepto clave en climas con oscilaciones térmicas diarias importantes, ya que la capacidad de acumulación térmica de las soluciones que conforman un elemento arquitectónico es básica para conseguir el adecuado nivel de confort y ahorro energético en instalaciones de climatización. La capacidad de almacenar energía de un material depende de su masa, su densidad y su calor específico. Edificios de gran inercia térmica tienen variaciones térmicas más estables, el calor acumulado durante el día se libera en el período nocturno, a mayor inercia térmica mayor estabilidad térmica. Los materiales ideales para constituir una buena masa térmica, y por tanto inercia térmica, son aquellos que tienen: alto calor específico, alta densidad y baja conductividad térmica (aunque no sea excesivamente baja). Los materiales con mejor inercia térmica son: - Ladrillos de adobe o bloques de termoarcilla.
- Tierra, barro y césped. En cierto tipo de arquitectura que proyecta casas arropadas o semicubiertas por el terreno, la masa térmica no viene de las paredes sino del terreno con el que está en contacto. Esta característica sirve para proporcionar leves variaciones de temperaturas durante el año. - Rocas y piedras naturales - Hormigón y otras técnicas de albañilería. La conductividad térmica del hormigón depende de su composición y técnica de fraguado. Hormigones con piedra tienen una conductividad térmica mayor que otros realizados con cenizas, perlite, fibras u otros aislantes agregados. - Agua (a menudo grandes tanques llenos de agua dispuestos en la zona soleada). En los materiales de construcción el calor específico es muy poco variable, en la tabla 9 se indican valores aproximados para los aislantes y en la tabla 10 para los materiales de mayor empleo en la construcción. Un cerramiento convencional, con el aislamiento por el interior aporta entre el 10-20% de su masa térmica a la inercia del local. Sin embargo, un cerramiento con el aislamiento por el exterior aportará el 90%, y uno que no necesite emplear aislante térmico entre el 40-60% de su capacidad máxima (Neila, 2004). No se debe confundir masa térmica e inercia térmica con aislamiento. Los materiales utilizados para producir aislamiento, suelen tener una menor conductividad térmica que los utilizados para crear masas térmicas.
Tabla 9. Parámetros característicos de aislantes térmicos Fuente: Domínguez y Santamaría, 2001
Tabla 10. Parámetros característicos de materiales de construcción Fuente: Domínguez y Santamaría, 2001
En el diseño de un edificio se examinarán las ventajas y los inconvenientes que puede presentar la inercia térmica en cada caso concreto, y se aplicará de acuerdo a los resultados de este análisis. Algunas de las ventajas de uso de la inercia térmica de los edificios son: - La inercia térmica, asociada a elementos de protección de la radiación solar en huecos acristalados, permiten amortiguar el aumento de temperatura producido por la radiación solar en verano. - La inercia térmica permite evitar las irregularidades del funcionamiento de los sistemas activos de calefacción. - La inercia térmica permite el confort térmico interior cuando hay periodos con cambios bruscos de las temperaturas exteriores o de soleamiento, a los cuales los sistemas de calefacción no pueden responder si la instalación no lleva ninguna regulación. En cambio, la inercia térmica no se aconseja cuando, por razonas económicas, se usa la calefacción de forma intermitente en invierno, como por ejemplo, en fábricas, oficinas, escuelas, etc., donde se apaga ésta por la noche.
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y/O APLICACIÓN
Los muros de inercia o acumulación utilizan materiales de gran densidad, espesor de 25-40 cm, cara exterior de color oscuro, orientación sur (± 15º). Captan la radiación directa, acumulando el calor para liberarlo por radiación entre 8 a 12 horas. Se recomienda utilizar los muros de acumulación de calor en climas fríos donde hace falta calor durante el día y la noche. Algunas variantes de estos tipos de muros son los muros Trombe, muros de agua y cubiertas de agua. Los materiales que tienen una elevada capacidad térmica, es decir, un espesor considerable y un gran calor específico volumétrico, así como una conductividad moderada, entre 0.5 y 2.0 W/mK, generan lo que se conoce como efecto de masa térmica. Entre ellos podemos incluir el adobe (y la tierra en general), el ladrillo, la piedra, el concreto y el agua (uno de los más eficientes). Estos materiales pesados tienen la cualidad de absorber la energía calórica y distribuirla gradualmente en su estructura interna. Dado que requieren una gran cantidad de energía para aumentar su temperatura, los procesos de transmisión de calor por conducción a través de ellos propician un efecto de “almacenamiento”. El muro destinado a masa térmica debe tener un grosor apropiado, de modo que el interior del edificio siga siendo fresco durante el día y el calor se transfiera al interior durante la noche. Si el muro es demasiado fino, penetrará el calor en el interior de la vivienda durante el día, justo cuando no se necesita, y no quedará suficiente calor almacenado en la masa para soltarlo durante la tarde o noche, que es cuando más frío hace. Si la pared es demasiado gruesa, puede costarle bastante acumular el calor y empezar a liberarlo en un momento del día en que no se necesita ese calor.
La Arquitectura solar pasiva y sus sistemas hacen referencia al diseño de la casa para el uso eficiente de la energía solar. Los sistema pasivos son por tanto, los sistemas que forman parte constituyente del edificio, ya sea como elementos básicos (muros ventanas, cubiertas, etc.) o como elementos modificados para tal fin (invernaderos adosados, galerías, chimeneas solares, etc.) de forma que la edificación se convierte en el sistema de captación solar. 1.8.1
TIPOS DE SISTEMAS DE CAPTACIÓN SOLAR PASIVA
Los sistemas de captación pueden ser definidos por dos parámetros: - Rendimiento. Fracción de energía realmente aprovechada respecto a la que incide - Retardo. Tiempo que transcurre entre que se almacena la energía y es liberada. Existen los siguientes tipos de sistemas de captación:
A) SISTEMAS DE CAPTACIÓN DIRECTA
Permiten el aprovechamiento energético directo de la radiación solar a través de elementos huecos transparentes de las fachadas como ventanas, ventanales, claraboyas, lucernarios y demás elementos translúcidos. La eficiencia energética asociada a la utilización de la ganancia directa a través de huecos acristalados como estrategia de acondicionamiento térmico está directamente relacionada con los siguientes factores: - Características del hueco: orientación adecuada para el aprovechamiento de la radiación solar; dimensiones; forma y posición - Características energéticas del vidrio: dentro del mercado existente, hay diversas opciones de selección de vidrios con diferentes ajustes en sus mecanismos de transferencia energética. - Características de las carpinterías: algunos de los factores más determinantes en la elección de materiales para carpinterías que potencien su eficiencia energética son: conductividad térmica, valor U de perfil tipo, grado de estanqueidad, resistencia a agentes atmosféricos, mantenimiento, coste energético de su ciclo de vida, ciclo de vida útil, reciclabilidad, obstrucción visual generada por sus secciones, etc… - Incorporación de elementos de sombreamiento que limiten la ganancia directa durante el periodo sobrecalentado. - Incorporación de elementos de aislamiento que limitan las pérdidas térmicas en periodos invernales. La captación directa se limita a la disposición de suficiente superficie acristalada correctamente orientada. La orientación sur es la más favorable para el acristalamiento (mayores ganancias en invierno que en verano), siendo las orientaciones este y oeste las más desfavorables (mayores valores en verano). Para solucionar los problemas de la captación simple, se han desarrollado nuevos sistemas que mejoran el rendimiento, acumulando la energía que ha atravesado el vidrio y distribuyéndola adecuadamente en el espacio y tiempo. Algunos ejemplos de sistemas pasivos de captación directa son: - Ventanas y ventanales - Claraboyas - Atrio acristalado - Patio acristalado, etc.
B) SISTEMAS DE CAPTACIÓN DIFERIDA MIXTA O INDIRECTA
En estos sistemas existe un periodo prolongado entre el momento en el que se recibe la energía y el momento en que ésta se aprovecha como consecuencia de una acumulación previa. Se caracterizan por la potenciación de estrategias de aprovechamiento energético de la radiación solar en un espacio intermedio entre el exterior y el espacio que se desea acondicionar. Este espacio tiene una gran entrada de radiación directa a través de superficies acristaladas, tanto horizontales como verticales. Desde dicho espacio intermedio, el calor se transmite al espacio a acondicionar por diferentes mecanismos: radiación a través de elementos de masa térmica, convección (lazos convectivos) a través de aberturas de regulación, o bien mediante una combinación de ambos sistemas. A continuación se indican algunos ejemplos de sistemas de captación solar indirectos o diferidos mixtos: - Invernaderos o galerías acristaladas: Galería acristalada, separada de las estancias interiores por un muro másico de color oscuro. La radiación recibida incrementa la temperatura en esta galería, acumulándose en el muro másico y penetrando en los espacios interiores con el retraso correspondiente. - Muros de inercia: Consisten en un muro macizo orientado al sur, de piedra, hormigón, ladrillo macizo, etc., de un espesor entre 25 y 40 cm, con la superficie exterior oscura y protegido con un vidrio, para aprovechar las ventajas del efecto invernadero, situado a unos pocos cm de ésta. Durante el día, la radiación solar incidente produce el calentamiento del muro, que acumula el calor y lo cede, por radiación, al interior con un retardo de 12 horas (por la noche). En verano para evitar el sobrecalentamiento, conviene protegerlo de la radiación o disponer de aberturas para poder ventilar el muro. Algunas variantes de este tipo de muros son los muros Trombe y muros de agua. C) SISTEMAS DE CAPTACIÓN REMOTA
Espacios invernaderos o colectores solares de aire no adosados a la edificación cuando en ésta no se producen las condiciones adecuadas para la ganancia solar. Están conectados con el espacio a acondicionar exclusivamente mediante conductos de aire y son de carácter híbrido ya que requieren un sistema de impulsión del aire. 1.8.2
CONCEPTOS GENERALES DE LA CAPTACIÓN SOLAR
Se estudiará el factor solar y el factor de sombra de aberturas y lucernarios, limitado en función de la zona climática, orientación del edificio y también en función de su carga interna. (CTE DB-HE1) 28
En la fachada Sur (± 45º) se colocarán voladizos de protección solar estival o equivalente. Será necesario justificar que los aleros evitarán la entrada del sol en verano, pero no producirán sombras en las ventanas y balconadas que impedirían la captación solar en invierno. En la fachada Oeste (± 45º) se asegurará la sombra mediante elementos móviles o fijos con aleros verticales, independientes de la persiana convencional. Asegurando una sombra mínima del 90 % del cristal en el periodo comprendido entre el 1 de julio y el 31 de agosto. TRAYECTORIA SOLAR
Siendo el sol la principal fuente de la energía solar, es importante tener una idea de su trayectoria en las distintas estaciones del año.
Figura 8. Trayectoria solar.
Sin entrar en detalles técnicos y particularizando para el hemisferio norte, por encima del trópico de Cáncer (situación geográfica de España): Hay sólo dos días del año en los que el eje de rotación es perpendicular al plano de traslación: el equinoccio de primavera (22 de marzo) y el equinoccio de otoño (21 de septiembre). En estos días, el día dura exactamente lo mismo que la noche, y el sol sale exactamente por el este y se pone por el oeste. Después del equinoccio de primavera, los días son cada vez más largos, y el sol alcanza cada vez mayor altura a mediodía. La salida y la puesta de sol se desplazan hacia el norte (es decir, tiende a salir cada vez más por el nordeste y a ponerse por el noroeste). Esta tendencia sigue hasta el solsticio de verano (21 de junio), el día más largo del año, para seguir después la tendencia contraria hasta llegar al equinoccio de otoño. Después del equinoccio de otoño, los días son cada vez más cortos, y el sol cada vez está más bajo a mediodía. La salida y la puesta de sol se desplazan hacia el sur (es decir, tiende a salir cada vez más por el sudeste y a ponerse por el sudoeste. Esta tendencia sigue hasta el solsticio de invierno (21 de diciembre), el día más corto del año, para seguir después la tendencia contraria hasta llegar al equinoccio de primavera. 29
Figura 9. Radiación en fachadas verticales.
Estas trayectorias solares tienen una consecuencia clara sobre la radiación recibida por fachadas verticales: en invierno, la fachada sur recibe la mayoría de radiación, gracias a que el sol está bajo, mientras que las otras orientaciones apenas reciben radiación. En verano, en cambio, cuando el sol está más vertical a mediodía, la fachada sur recibe menos radiación directa, mientras que las mañanas y las tardes castigan especialmente a las fachadas este y oeste, respectivamente. RADIACIÓN DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADA
La energía solar incidente en una superficie terrestre se manifiesta de tres maneras diferentes: 1. La radiación solar directa 2. La radiación difusa, aquella recibida de la atmósfera como consecuencia de la dispersión de parte de la radiación del sol en la misma. Esta energía supone aproximadamente un 15% de la radiación global en los días soleados, en los días nublados, en los cuales la radiación directa es muy baja, la radiación difusa supone un porcentaje mucho mayor. Por otra parte, las superficies horizontales son las que más radiación difusa reciben, mientras que las superficies verticales reciben menos esto es debido a la dirección de los planos con respecto a la dirección de los rayos solares. 3. La radiación reflejada es aquella reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado "albedo". Por otra parte, las superficies horizontales no reciben ninguna radiación reflejada, mientras que las superficies verticales son las que más reciben.
Es un concepto importante en la arquitectura bioclimática: si tiene poca inercia térmica, reaccionarán rápidamente a la radiación solar, calentándose pronto durante el día, en invierno, pero también por la noche se enfrían más rápido: el retardo entre los aportes de calor y la temperatura alcanzada es pequeño. En cambio, con gran inercia térmica, la radiación solar no provocará una subida rápida de la temperatura, porque el calor se está almacenando y se libera lentamente en la noche; las variaciones de temperatura se amortiguan, sin alcanzar valores extremos.
Figura 10. Inercia térmica.
La inercia térmica lleva consigo dos fenómenos: el retardo de la temperatura interior respecto a la temperatura exterior y la variación interior de temperatura no es tan grande como la variación exterior. FENÓMENOS CONVECTIVOS NATURALES
El aire interior caliente que al subir escapa al exterior, teniendo que ser sustituido por aire frío, provocando renovación de aire que se denomina ventilación convectiva. El dispositivo que provoca este fenómeno se denomina chimenea solar. La diferencia de temperaturas entre la parte alta y la parte baja puede ser apreciable se denomina estratificación térmica. En el diseño de estos sistemas es importante considerar: - La existencia de suficiente masa térmica para la acumulación del calor dispuesta en las zonas de incidencia de radiación - La existencia de cerramientos móviles para aislamiento - La orientación, obstáculos y sombreamientos de los espacios de captación, de tal manera que se maximice la captación de energía en invierno y se minimice la de verano.
Figura 11. Ventilación convectiva.
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y APLICACIÓN
Para el diseño y aplicación de los recursos y elementos de captación solar pasivos se tiene que tener en cuenta la ubicación final del edificio (condiciones climáticas y microclimáticas) y las orientaciones de sus fachadas. Estos elementos de captación solar pasiva se deberían concentrar sobre todo en la orientación sur de los edificios, ya que dicha orientación es la que recibe más radiación solar a lo largo del año. SISTEMAS DIRECTOS DE CAPTACIÓN SOLAR
La captación solar directa permite a la radiación solar incidir directamente en el espacio que se quiere calentar. Dentro del diseño solar pasivo, los sistemas de acristalamiento juegan un papel decisivo en el balance energético del edificio. Su orientación, dimensiones y propiedades físicas deben ser evaluadas para garantizar su operatividad a lo largo de los diferentes ciclos estacionales y diarios. Para una optimización del área de huecos se pueden emplear programas de diseño energético de edificios, como el software METEO del Grupo de Energía y Edificación de la Universidad de Zaragoza (Turégano et al, 2009). Existen también recomendaciones para calcular el área de huecos en función de la temperatura y de la superficie de la estancia a calentar. SISTEMAS INDIRECTOS DE CAPTACIÓN SOLAR
a) Invernaderos Consisten en una galería acristalada, separada de las estancias interiores por un muro másico de color oscuro. La radiación recibida incrementa su temperatura interior acumulándose en el muro másico y penetrando en los espacios interiores. 32
Algunos de los criterios de diseño que se deben tener en cuenta para este tipo de sistema son: - Se colocarán entre 0,1 y 0,5 m2 de acristalamiento por cada m2 de superficie a calefactar, habiendo además entre 0,6 y 1,6 m2 de superficie acristalada por cada m2 de suelo del invernadero. - La superficie del muro másico presenta un color oscuro y una textura rugosa para facilitar la captación de la radiación solar. - El muro másico presenta un espesor entre 20 y 25 cm. - Se deben diseñar protecciones solares para este tipo de sistemas. b) Muros de inercia Consisten en un muro macizo orientado al sur, de piedra, hormigón, ladrillo macizo, etc., de un espesor entre 25 y 40 cm, con la superficie exterior oscura y protegido con un vidrio, para aprovechar las ventajas del efecto invernadero, situado a unos pocos cm de ésta. Durante el día, la radiación solar incidente produce el calentamiento del muro, que acumula el calor y lo cede, por radiación, al interior con un retardo de 12 horas (por la noche). En verano para evitar el sobrecalentamiento, conviene protegerlo de la radiación o disponer de aberturas para poder ventilar el muro. Algunas variantes de este tipo de muros son los muros Trombe y muros de agua: b.1) Muro Trombe Consiste en un muro másico colocado detrás de un vidrio transparente, de modo que se produce un efecto invernadero en el estrecho espacio entre ambos. Es una variante del muro de inercia en la que se dispone de unas rejillas o aberturas regulables situadas en la parte inferior y superior que permiten la circulación del aire caliente desde la cámara (espacio entre la superficie exterior del muro y el vidrio) hacia el interior del edificio (Figura 12). Los muros Trombe cumplen con tres funciones: la captación directa de la radiación solar a través del vidrio, su acumulación en el muro y la distribución del aire caliente generado con esa energía a través de los huecos dispuestos en el muro. A continuación se exponen brevemente algunos de los aspectos a tener en cuenta para el diseño de este tipo de muros: - Se colocarán aproximadamente entre 0,3 y 0,8 m2 de muro por cada m2 de superficie interior a calefactar. - La superficie del muro másico debe presentar un color oscuro y una textura rugosa para facilitar la captación de la radiación solar y evitar las pérdidas por reflexión. - El cálculo del espesor del muro se tiene que hacer con mucha precisión para ajustar el desfase de la onda térmica. El espesor de la cámara de aire deber ser de unos 10 cm. - Se deben diseñar protecciones solares para estos muros. 33
Figura 12. Esquema de Muro Trombe
La temperatura de trabajo oscila entre 50 y 70ºC. Esto puede producir problemas de sobrecalentamiento en verano, por lo que se le debe dotar de las protecciones solares adecuadas de forma que no estén soleadas en verano. Como inconveniente a la hora de aplicar este sistema en un edificio es que se trata de un muro pesado y con un color oscuro que puede no ser aceptado estéticamente (Figura 13).
Figura 13. Muro Trombe sombreado Fuente: http://www.solarpedia.es/index.php/Muro_trombe
Usos del muro Trombe en condiciones de invierno y verano : En invierno, se combina la distribución radiante desde el elemento de masa con lazos convectivos: - Durante el día el aire frío del interior de la edificación es absorbido por el espacio de colección solar a través de las rejillas inferiores, calentándose en éste, y es devuelto tras su calentamiento por radiación y convección al espacio interior a través de rejillas superiores. El elemento de masa que actúa como acumulador térmico sigue calentándose durante el ciclo diurno y actúa asimismo como elemento de radiación al interior. - Durante la noche se interrumpe el lazo convectivo mediante el cierre de las trampillas y se aprovechan las características inerciales del elemento de masa, que actúa como elemento de radiación al interior. En verano, en función de su dimensionado, el muro Trombe actúa como elemento de modulación de masa o como elemento de ventilación del espacio a acondicionar: - Durante el día, se limita la ganancia a través del sistema mediante la obstrucción solar y se limita el calentamiento del elemento de masa mediante su ventilación desde el exterior sombreado y el cierre de los elementos de conexión con el espacio a acondicionar. - Durante la noche se posibilita la ventilación del espacio y el enfriamiento del elemento de masa mediante la apertura de todas las trampillas del sistema.
Figura 14. Usos del muro Trombe
b.2) Muros de agua Variante de los muros de inercia que utilizan el agua como material de almacenamiento de calor. El agua tiene una capacidad calorífica mayor y una mayor conductividad que los materiales de construcción habituales, lo que produce una mayor capacidad de 35
almacenamiento y una más rápida transferencia de calor hacia el interior. Ninguno de los dos sistemas de muros de agua ha tenido mayores desarrollos que los experimentales, dado lo incómodo de su manejo.
Figura 15. Esquema de funcionamiento de un muro de agua Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Solar_muroagua.png
Utiliza los siguientes sistemas de captación y acumulación: - Sistemas horizontales de captación: formados por bolsas de plástico negro rellenas de agua ancladas a una cubierta metálica, que durante el día se caliente, para cederlo por conducción a través de la cubierta del edificio. Por la noche deben protegerse, cubriéndolas, para evitar su enfriamiento. - Sistemas verticales de acumulación: utilizan bidones o depósitos llenos de agua, con los que se conforma parcialmente el cerramiento. Los destinados a interior, suelen ser columnas de agua o muros insertados en una estructura metálica (Figura 15). 1.8.4
Un diseño de aprovechamiento energético pasivo va a disminuir en gran medida el coste energético, y puede ir sustituyendo paulatinamente otras fuentes energéticas convencionales. Ello implica un ahorro en la producción de energía con condicionantes contaminantes, una disminución del consumo, un mayor equilibrio entre el hombre y el hábitat, y en definitiva una vida más saludable. 1.8.5
SISTEMAS DIRECTOS DE CAPTACIÓN SOLAR
Es la forma más elemental y la más eficaz de captación de energía solar; no es necesario ningún elemento extra a la edificación, sólo es preciso un correcto diseño. Sin embargo estos sistemas tienen varios inconvenientes como son la posibilidad de deslumbramiento interior, pueden ser perjudiciales para el bienestar en el verano y dependen de las horas de sol provocando una irregular distribución del calor a lo largo del día. 36
SISTEMAS DIFERIDOS Ó INDIRECTOS DE CAPTACIÓN SOLAR
Estos sistemas permiten aprovechar entre un 30 y un 45% de la energía solar que incide sobre los acristalamientos. La ventaja energética con respecto a los sistemas de captación directa es que permite generar temperaturas muy superiores a las de confort en el espacio intermedio, aprovechando al máximo la energía procedente del sol sin comprometer por ello las condiciones de confort en los espacios adyacentes a las que se realizará la cesión energética diferida. Sin embargo, estos sistemas son inadecuados para condiciones de verano en las que las aportaciones energéticas exteriores no resultan deseables. Pueden existir sistemas externos de bloqueo de la radiación solar o se pueden aprovechar como elementos de ventilación y evacuación de calor, potenciándose en ellos el efecto chimenea e invirtiendo la dirección de los lazos convectivos si los hubiera. El aumento de la eficacia térmica
MEDIDAS PARA LOS HUECOS ACRISTALADOS
Orientación óptima de huecos acristalados: estas orientaciones son las que reciben la menor radiación a lo largo del día. En nuestras latitudes, la orientación sur es la más favorable para el acristalamiento, y las este y oeste las más desfavorables. Uso de acristalamientos aislantes o dobles, y aislantes a la radiación: El comportamiento del vidrio beneficia, con ángulos de incidencia de la radiación más oblicuos, el coeficiente de transmisión es menor.
Figura 16. Ángulos de incidencia en vidrios
Protección de la radiación solar: Se pueden disponer de dispositivos de sombreamiento que dificulten la llegada de radiación a las cristaleras, como aleros fijos, toldos y otros dispositivos externos, persianas exteriores, contraventanas, árboles. Algunos de estos dispositivos también son válidos para proteger muros, no solo cristaleras, aunque en este caso quizá lo mejor sea disponer de plantas trepadoras sobre los muros y utilizar colores poco absorbentes de la luz 37
solar (colores claros, especialmente el blanco). Los espacios tapón también protegen eficazmente. Las fachadas Este (al amanecer) y Oeste (al atardecer), así como la cubierta (durante todo el día), también están expuestas a una radiación intensa en verano. Para reducir la incidencia de la radiación se procurará que en estas zonas haya pocas aberturas (ventanas y claraboyas) o que sean pequeñas, puesto que no tienen utilidad para ganancia solar invernal, aunque se las puede necesitar como ventilación y/o iluminación. No obstante también hay inconvenientes, como el solsticio de verano (21 de junio) no coincide exactamente con los días más calurosos del verano (segunda quincena de julio y primera de agosto). Esto significa que, cuando llega el calor fuerte, el sol ya está algo más bajo en el cielo y puede penetrar mejor por la cristalera sur. Significa que se necesita dispositivos de sombreamiento que impidan a esta radiación llegar hasta la cristalera.
Figura 17. Aleros para protección solar
A continuación se enumeran los elementos que pueden ser elementos fijos ó móviles: - Vegetación: Soportada por una estructura ligera o no, creando un espacio intermedio con circulación de aire, a la vez que una zona sombreada. Normalmente no se sitúan sobre las aberturas. Los elementos vegetales de hoja caduca por delante de las superficies vidriadas, permitirán la captación solar en invierno, manteniendo la protección en verano. - Pérgola: Elemento construido con estructura metálica, de obra o de madera, que crea una zona sombreada junto al edificio y que permite ventilación, vistas y acceso de luz difusa hacia el interior.
- Brise-soleils o parasoles: Celosías o lamas exteriores que, como elementos discontinuos, detienen parte de la radiación, permitiendo el paso del aire y la luz difusa.
Figura 18. Detalle de la fachada norte del Gustavo Capanema Palace (Río de Janeiro) Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Brise_soleil
- Aleros o voladizos: Elementos constructivos fijos horizontales, situados en las partes altas de las fachadas de los edificios, protegiendo estas fachadas y, de manera especial, las aberturas de la radiación y la lluvia. La dimensión más adecuada es aquella que permita el aporte de radiación en invierno evitándolo en verano. - Pantallas: Elementos horizontales opacos, rígidos y normalmente fijos, situados en las fachadas de forma que sombrean una determinada superficie vidriada para determinadas situaciones del sol. - Partesol: cualquier elemento vertical cercano a la ventana y saliente de la fachada que obstruya la componente horizontal de la radiación solar. Puede estar colocado perpendicular u oblicuo con respecto a la fachada, y también puede ser parte de ella o estar por separado. - Persianas: Elementos horizontales, móviles y practicables, formados por lamas, que, colocados delante de las aberturas, permiten detener completamente la radiación directa, permitiendo la ventilación, cierta iluminación y vistas exteriores. Al ser regulables, se pueden adaptar a las condiciones de protección deseadas en cada momento. - Contraventanas: pequeña puerta exterior incorporada a la ventana mediante bisagras que tiene funciones parecidas a la persiana: impide el paso de la luz o el calor además de proteger la ventana. - Toldos o cortinas exteriores: Elementos horizontales, móviles y flexibles que sombrean una parte de la fachada del edificio, o una abertura en concreto. Al poderse recoger, permiten el total acceso del sol cuando interese.
- Lamas: Son elementos de protección en una abertura de la incidencia directa de la radiación, que permiten la ventilación y una cierta iluminación. Las lamas pueden ser móviles y posibilitar una regulación voluntaria de las condiciones de protección.
Figura 19. Detalle de las lamas de la Torre Agbar , Barcelona Fuente: http://www.torreagbar.com/
MEDIDAS PARA CUBIERTA Y PAREDES
También son posibles medidas para proteger de la radiación solar a los paramentos ciegos de la envolvente. La incidencia de la radiación solar en la cubierta es de suma importancia ya es el cerramiento que recibe más radiación solar a lo largo del día de verano (casi el 50%). - Reducción del intercambio de calor mediante aislantes térmicos. - Reducción de la absortancia utilizando colores claros y reflectantes. No se recomienda el uso de superficies metalizadas por tener muy baja emitancia y no contribuir al enfriamiento por irradiación nocturna. - Eliminación del calor absorbido por ventilación (cubiertas ventiladas, fachadas ventiladas) - Recubrimiento vegetal (cubiertas vegetales, jardines verticales) - Uso de apantallamientos fijos ó móviles, o vegetación de hoja caduca, que impide la acción directa de la radiación sobre los cerramientos. Algunos ejemplos de éstos han sido expuestos anteriormente para huecos acristalados.
EXIGENCIA BÁSICA HE 1. LIMITACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA. MARCO NORMATIVO DE LA LIMITACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA DENTRO DE LA CALIFICACIÓN ENERGÉTICA.
Para edificios de nueva construcción los indicadores energéticos se obtendrán a partir de una metodología de cálculo que, en general, integre los elementos considerados en el Anexo de la Directiva 2002/91/CE, que en síntesis son:
- disposición y orientación del edificio; - características térmicas de la envolvente; - características instalaciones calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria, ventilación e iluminación La Directiva de Eficiencia Energética de los edificios se ha transpuesto a la reglamentación española mediante el RD 314/2006, por el que se desarrolla el Código Técnico de la Edificación (CTE); el RD 1027/2007, por el que se desarrolla el Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios (RITE) y el RD 47/2007 de Calificación Energética. El Artículo 15 de la Parte I del Código Técnico de Edificación CTE, define las exigencias de ahorro de energía, partiendo del requisito básico de “Ahorro de energía”, dónde se expone que el objetivo de este requisito básico consiste en conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso y mantenimiento. El DB HE en su introducción dice que este Documento Básico (DB) tiene por objeto establecer las reglas y los procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de ahorro de energía. La correcta aplicación del conjunto del DB supone que se satisface el requisito básico "Ahorro de energía". También dice en sus criterios generales de aplicación que pueden utilizarse otras soluciones diferentes a las contenidas en este DB, en cuyo caso deberá seguirse el procedimiento establecido en el artículo 5 de la Parte I del CTE, (Condiciones generales para el cumplimiento del CTE), y deberá justificarse en el proyecto el cumplimiento de las exigencias básicas. Dentro de las exigencias básicas de ahorro de energía (HE), indicadas en el Artículo 15 del CTE, la HE 1 define que:
"Los edificios dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno, así como por sus características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que puedan perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos en los mismos." Vamos a desarrollar los procesos y métodos para el cumplimiento a la exigencia básica de Limitación de la demanda energética, de acuerdo con lo establecido en la Sección HE-1 del DB de Ahorro de Energía.
La sección HE-1 es de aplicación en: a) edificios de nueva construcción; b) modificaciones, reformas o rehabilitaciones de edificios existentes con una superficie útil superior a 1.000 m2 donde se renueve más del 25% del total de sus cerramientos. Se excluyen del campo de aplicación: a) edificaciones que por sus características de utilización deban permanecer abiertas; b) edificios y monumentos protegidos oficialmente por ser parte de un entorno declarado o en razón de su particular valor arquitectónico o histórico, cuando el cumplimiento de tales exigencias pudiese alterar de manera inaceptable su carácter o aspecto; c) edificios utilizados como lugares de culto y para actividades religiosas; d) construcciones provisionales con un plazo previsto de utilización igual o inferior a dos años; e) instalaciones industriales, talleres y edificios agrícolas no residenciales; f) edificios aislados con una superficie útil total inferior a 50 m2.
Para la correcta aplicación de la HE-1 se deben realizar las siguientes verificaciones: a) en el proyecto se optará por uno de los dos procedimientos alternativos de comprobación siguientes: - opción simplificada - opción general 42
En ambas opciones se limita la presencia de condensaciones en la superficie y en el interior de los cerramientos y se limitan las pérdidas energéticas debidas a las infiltraciones de aire, para unas condiciones normales de utilización de los edificios.
b) durante la construcción de los edificios se comprobarán las indicaciones descritas en el apartado 5 del HE-1 del CTE. 2.2.1
Está basada en el control indirecto de la demanda energética de los edificios mediante la limitación de los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores que componen su envolvente térmica. La comprobación se realiza mediante la comparación de los valores obtenidos en el cálculo con los valores límite permitidos. Esta opción podrá aplicarse a obras de rehabilitación de edificios existentes y a obras de edificación de nueva construcción que cumplan los siguientes requisitos: 1. Cuando se cumplan simultáneamente las siguientes condiciones: a) que la superficie de huecos en cada fachada sea inferior al 60% de su superficie; b) que la superficie de lucernarios sea inferior al 5% de la superficie total de la cubierta; 2. Como excepción, se admiten superficies de huecos superiores al 60% en aquellas fachadas cuyas áreas supongan un porcentaje inferior al 10% del área total de las fachadas del edificio; 3. Quedan excluidos aquellos edificios cuyos cerramientos estén formados por soluciones constructivas no convencionales tales como muros Trombe, muros parietodinámicos, invernaderos adosados, etc.; 4. En el caso de obras de rehabilitación, se aplicarán los criterios establecidos en esta opción, a los nuevos cerramientos. 2.2.2
Está basada en la evaluación de la demanda energética de los edificios mediante la comparación de ésta con la correspondiente a un edificio de referencia que define la propia opción. La única limitación para la utilización de la opción general es la derivada del uso en el edificio de soluciones constructivas innovadoras cuyos modelos no puedan ser introducidos en el programa informático que se utilice.
En el caso de utilizar soluciones constructivas no incluidas en el programa se justificarán en el proyecto las mejoras de ahorro de energía introducidas y que se obtendrán mediante método de simulación o cálculo al uso. El único programa de cumplimiento de la opción general, que aparece como Documento Reconocido, es el programa LIDER.
La caracterización y cuantificación de las exigencias, de la Sección HE-1 son las siguientes: - Demanda energética (Apdo. 2.1 HE-1) - Condensaciones (Apdo. 2.2 HE-1) - Permeabilidad al aire (Apdo. 2.3 HE-1) El siguiente esquema visualiza estas exigencias que son precisas satisfacer en el proceso de verificación del cumplimiento de la limitación de la demanda energética: Caracterización y cuantificación de las exigencias ↓ ↓ ↓ Demanda energética Condensaciones Permeabilidad al aire (Apdo. 2.1 HE-1) (Apdo. 2.2 HE-1) (Apdo. 2.3 HE-1) ↓ Cálculo Opción simplificada ↙ ↘ Opción general ↓ LIDER Estas comprobaciones afectan igualmente a la opción general o a la simplificada, aunque el método de comprobación sea, lógicamente, distinto. 2.3.1
La primera exigencia, y la más importante, es la limitación de la demanda energética propiamente dicha. La demanda energética de los edificios se limita en función del clima de la localidad en la que se ubican, según la zonificación climática establecida en el apartado 3.1.1 de la HE-1, y de la carga interna en sus espacios según el apartado 3.1.2 de la HE-1. En los siguientes apartados se desarrollan estos conceptos, en el siguiente orden:
1. Zonificación climática 2. Carga interna 44
3. Envolvente térmica del edificio y clasificación de sus componentes 4. Parámetros característicos 5. Valores límites de los parámetros característicos 6. Comprobación de las transmitancias máximas 7. Comprobación de las transmitancias interiores ZONIFICACIÓN CLIMÁTICA
La zonificación climática se recoge en el apartado 3.1.1, incluido en el epígrafe de datos previos, en el capítulo 3, Cálculo y dimensionado, de la HE-1.
Las zonas climáticas se definen de la siguiente forma:
1. Para la limitación de la demanda energética se establecen 12 zonas climáticas identificadas mediante una letra, correspondiente a la división de invierno A, B, C, D, E, y un número, correspondiente a la división de verano 1, 2, 3, 4. En general, la zona climática donde se ubican los edificios se determina a partir de valores tabulados. En localidades que no sean capitales de provincia y que dispongan de registros climáticos contrastados, se podrán emplear, previa justificación, zonas climáticas específicas. Se excluyen las combinaciones imposibles para la climatología española. 2. El procedimiento para determinar la zonificación climática se recoge en el apéndice D de la HE-1. En este apéndice, se incluye una tabla D.1 de la zona climática de cada capital de provincia (figura 20), obtenida a partir de valores tabulados. La zona climática de las localidades de cada provincia se define en función de la diferencia de la altura entre la localidad y la altura de referencia de la capital de su provincia, cambiando de zona cuando la diferencia de altura supera los 200 metros. Si la diferencia fuese menor de 200 metros, o se encontrase a altura inferior que la de referencia, se tomará, para la localidad, la misma zona climática que la que corresponde la capital de provincia. De forma alternativa se puede determinar la zona climática a partir del cálculo de las severidades climáticas de invierno y de verano para las distintas localidades. Se trata de un método muy complicado y de escasa aplicación práctica en general, por falta de registros climáticos de las localidades, por lo que no se desarrolla en este documento. 45
Figura 20. Zonas climáticas. Fuente: CTE CARGA INTERNA DE LOS ESPACIOS
El otro parámetro determinante para definir la limitación de la demanda energética es la carga interna de los espacios. Se definen dentro del apartado 3.1.2, en el capítulo 3, Cálculo y dimensionado, de la HE1. Previamente a la definición de la carga interna hay que realizar la clasificación de los espacios del edificio. Los espacios interiores de los edificios se clasifican en espacios habitables y espacios no habitables. - Espacio habitable: Espacio formado por uno o varios recintos habitables contiguos con el mismo uso y condiciones térmicas equivalentes agrupados a efectos de cálculo de demanda energética. - Recinto habitable, es el recinto interior destinado al uso de personas cuya densidad de ocupación y tiempo de estancia exigen unas condiciones, acústicas, térmicas y de salubridad, adecuadas. 46
Se consideran recintos habitables los siguientes: a) habitaciones y estancias (dormitorios, comedores, bibliotecas, salones, etc.) en edificios residenciales; b) aulas, bibliotecas, despachos, en edificios de uso docente; c) quirófanos, habitaciones, salas de espera, en edificios de uso sanitario; d) oficinas, despachos; salas de reunión, en edificios de uso administrativo; e) cocinas, baños, aseos, pasillos y distribuidores en edificios de cualquier uso; f) zonas comunes de circulación en el interior de los edificios; g) cualquier otro con un uso asimilable a los anteriores. Cómo puede observarse de lo anterior, la mayoría de los espacios de un edificio son habitables. - Espacio no habitable: Espacio formado por uno o varios recintos no habitables contiguos, con el mismo uso y condiciones térmicas equivalentes, agrupados a efectos de cálculo de demanda energética. - Recinto no habitable: es el recinto interior no destinado al uso permanente de personas o cuya ocupación, por ser ocasional o excepcional y por ser bajo el tiempo de estancia, sólo exige unas condiciones de salubridad adecuadas. En esta categoría se incluyen explícitamente como no habitables los garajes, trasteros, las cámaras técnicas y desvanes no acondicionados, y sus zonas comunes. A efectos de cálculo de la demanda energética, los espacios habitables se clasifican en función de la cantidad de calor disipada en su interior, debido a la actividad realizada y al periodo de utilización de cada espacio, en las siguientes categorías: - Espacios con baja carga interna: Espacio donde se disipa poco calor. Comprende principalmente los recintos destinados a residir en ellos, con carácter eventual o permanente. En esta categoría se incluyen todos los espacios de edificios de viviendas y aquellas zonas o espacios de edificios asimilables a éstos en uso y dimensión, tales como habitaciones de hotel, habitaciones de hospitales y salas de estar, así como sus zonas de circulación vinculadas. En el caso de espacios no destinados a viviendas, el proyectista estimará si el calor disipado por las fuentes internas se puede asimilar a la que se podría producir si fuera un espacio de vivienda, por ejemplo, una pequeña sala de estar de una residencia de ancianos respecto al salón de una vivienda. - Espacios con alta carga interna: Espacios en los que se genera gran cantidad de calor por causa de su ocupación, iluminación o equipos existentes. Son aquellos espacios no incluidos en 47
la definición de espacios con baja carga interna. El conjunto de estos espacios conforma la zona de alta carga interna del edificio. ENVOLVENTE TÉRMICA DEL EDIFICIO Y CLASIFICACIÓN DE SUS COMPONENTES
La envolvente térmica del edificio se define en el apartado 3.1.3 del mismo capítulo 3 de la HE1. La envolvente térmica del edificio, como muestra la figura 21, está compuesta por todos los cerramientos que limitan espacios habitables con el ambiente exterior (aire o terreno u otro edificio) y por todas las particiones interiores que limitan los espacios habitables con los espacios no habitables que a su vez estén en contacto con el ambiente exterior.
Figura 21. Esquema de componentes de la envolvente térmica de un edificio. Fuente: CTE
En este esquema están representados todos los posibles cerramientos de un edificio, considerados desde el punto de vista del intercambio térmico Los cerramientos y particiones interiores de los espacios habitables se clasifican según su situación en las siguientes categorías: a) cubiertas, comprenden aquellos cerramientos superiores en contacto con el aire cuya inclinación sea inferior a 60º respecto a la horizontal; b) suelos, comprenden aquellos cerramientos inferiores horizontales o ligeramente inclinados que estén en contacto con el aire, con el terreno, o con un espacio no habitable; c) fachadas, comprenden los cerramientos exteriores en contacto con el aire cuya inclinación sea superior a 60º respecto a la horizontal. Se agrupan en 6 orientaciones 48
según los sectores angulares contenidos en la figura 22. La orientación de una fachada se caracteriza mediante el ángulo α que es el formado por el norte geográfico y la normal exterior de la fachada, medido en sentido horario; d) medianerías, comprenden aquellos cerramientos que lindan con otros edificios ya construidos o que se construyan a la vez y que conformen una división común. Si el edificio se construye con posterioridad el cerramiento se considerará, a efectos térmicos, una fachada; e) cerramientos en contacto con el terreno, comprenden aquellos cerramientos distintos a los anteriores que están en contacto con el terreno; f) particiones interiores, comprenden aquellos elementos constructivos horizontales o verticales que separan el interior del edificio en diferentes recintos.
Figura 22. Orientaciones de las fachadas. Fuente: CTE
Los cerramientos de los espacios habitables se clasifican según su diferente comportamiento térmico y cálculo de sus parámetros característicos en las siguientes categorías: a) cerramientos en contacto con el aire: - parte opaca, constituida por muros de fachada, cubiertas, suelos en contacto con el aire y los puentes térmicos integrados; - parte semitransparente, constituida por huecos (ventanas y puertas) de fachada y lucernarios de cubiertas. b) cerramientos en contacto con el terreno, clasificados según los tipos siguientes: - suelos en contacto con el terreno; - muros en contacto con el terreno; - cubiertas enterradas. c) particiones interiores en contacto con espacios no habitables, clasificados según sean: 49
- particiones interiores en contacto con cualquier espacio no habitable (excepto cámaras sanitarias); - suelos en contacto con cámaras sanitarias. PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS
Tanto para las zonas de baja carga interna como para la zonas de alta carga interna de los edificios, los parámetros característicos medios de los cerramientos y particiones interiores que limitan los espacios habitables serán inferiores a los valores límite indicados en las tablas 2.2 del HE-1 del CTE, en función de la zona climática en la que se encuentre el edificio, de la siguiente manera: a) transmitancia térmica de muros de fachada UM b) transmitancia térmica de cubiertas UC c) transmitancia térmica de suelos US d) transmitancia térmica de cerramientos en contacto con el terreno UT e) transmitancia térmica de huecos UH f) factor solar modificado de huecos FH g) factor solar modificado de lucernarios FL h) transmitancia térmica de medianerías UMD VALORES LÍMITE DE LOS PARÁMETROS
Tanto para las zonas de baja carga interna como para la zonas de alta carga interna de los edificios, los parámetros característicos medios de los cerramientos y particiones interiores que limitan los espacios habitables serán inferiores a los valores límite indicados en las tablas 2.2 del HE-1 del CTE, en función de la zona climática: a) la transmitancia media de muros de fachada UMm para cada orientación y la transmitancia media de cerramientos en contacto con el terreno UTm serán inferiores a la transmitancia límite de muros UMlim b) transmitancia media de suelos USm será inferior a la transmitancia límite de suelos USlim c) transmitancia media de cubiertas UCm será inferior a la transmitancia límite de cubiertas UClim; d) factor solar modificado medio de lucernarios FLm será inferior al factor solar modificado límite de lucernarios FLlim e) transmitancia media de huecos UHm en función del porcentaje de huecos y de la transmitancia media de muros de fachada UMm será inferior, para cada orientación, a la transmitancia límite de huecos UHlim 50
f) factor solar modificado medio de huecos FHm en función del porcentaje de huecos y de la zona del edificio de la que se trate (de baja carga interna o de alta carga interna) será inferior, para cada orientación de fachada, al factor solar modificado límite de huecos FHlim. Estas condiciones también deben cumplirse en la opción general, que comprueba el programa LIDER internamente, apareciendo sólo en caso de incumplimiento.
Ejemplo de una de las tablas 2.2 del HE-1 del CTE en función de la zona climática
COMPROBACIÓN DE LA TRANSMITANCIA TÉRMICA MÁXIMA
Para evitar descompensaciones entre la calidad térmica de diferentes espacios, cada uno de los cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica tendrá una transmitancia U, en W/m2 K, no superior a los valores de la tabla 11, en función de la zona climática, como se reproduce seguidamente. Tabla 11. Transmitancia térmica máxima de cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica U en W/m2K CERRAMIENTOS Y PARTICIONES INTERIORES
Muros de fachada, particiones interiores en contacto con espacios no habitables, primer metro del perímetro de suelos apoyados sobre el terreno (1) y primer metro de muros en contacto con el terreno
1,00 51
(1) Se incluyen las losas o soleras enterradas a una profundidad no mayor de 0,5 m (2) Las particiones interiores en contacto con espacios no habitables, como en el caso de cámaras sanitarias, se consideran como suelos. (3) Las particiones interiores en contacto con espacios no habitables, como en el caso de desvanes no habitables, se consideran como cubiertas.
La diferencia entre los valores de las tablas 2.1 y 2.2 consiste en que la primera se refiere al valor máximo de un determinado tipo de cerramiento, mientras que la 2.2 se refieren al promedio, es decir, a los parámetros característicos medios. Por ejemplo, en las zonas C la máxima transmitancia U de un muro de fachada es de 0,95 W/m2 K. Sin embargo, si este cerramiento es el único tipo que existe, en las tablas 2.2 correspondientes vemos que no puede superar 0,73 W/m2 K. Es decir, la tabla 2.1 marca un máximo cuando se tienen diversos tipos de cerramiento en un edificio, que es lo normal, para evitar excesivos desequilibrios térmicos. COMPROBACIÓN DE LAS TRANSMITANCIAS INTERIORES
En edificios de viviendas, las particiones interiores que limitan las unidades de uso con sistema de calefacción previsto en el proyecto, con las zonas comunes del edificio no calefactadas, tendrán cada una de ellas una transmitancia no superior a 1,2 W/m2K. Esta comprobación no la realiza el programa LIDER, ni aparece en la hoja resumen de la opción simplificada. Por tanto ha de justificarse en la memoria del proyecto de manera independiente de los instrumentos de verificación disponibles. 2.3.2
CONDENSACIONES Y PUENTES TÉRMICOS
2.3.2.1. CONDENSACIONES
La segunda exigencia es la limitación de condensaciones. a) Las condensaciones superficiales en los cerramientos y particiones interiores que componen la envolvente térmica del edificio, se limitarán de forma que se evite la formación de mohos en su superficie interior. Para ello, en aquellas superficies interiores de los cerramientos que puedan absorber agua, o susceptibles de degradarse y especialmente en los puentes térmicos de los mismos, la humedad relativa media mensual en dicha superficie será inferior al 80%. b) Las condensaciones intersticiales que se produzcan en los cerramientos y particiones interiores que componen la envolvente térmica del edificio serán tales que no produzcan una merma significativa en sus prestaciones térmicas o supongan un riesgo de degradación o pérdida de su vida útil. Además, la máxima condensación acumulada en cada periodo anual no será superior a la cantidad de evaporación posible en el mismo periodo. CLASIFICACIÓN DE LOS ESPACIOS
A efectos de comprobación de la limitación de condensaciones en los cerramientos, los espacios habitables se caracterizan por el exceso de humedad interior. En ausencia de datos más precisos y de acuerdo con la clasificación que se expresa en la norma EN ISO 13788: 2002 se establecen las siguientes categorías:
- espacios de clase de higrometría 5: Espacios en los que se prevea una gran producción de humedad, tales como lavanderías y piscinas; - espacios de clase de higrometría 4: Espacios en los que se prevea una alta producción de humedad, tales como cocinas industriales, restaurantes, pabellones deportivos, duchas colectivas u otros de uso similar; - espacios de clase de higrometría 3 o inferior: Espacios en los que no se prevea una alta producción de humedad. Se incluyen en esta categoría todos los espacios de edificios residenciales y el resto de los espacios no indicados anteriormente. El cálculo de condensaciones se desarrollará de forma distinta según se opte por la opción general o la simplificada. 2.3.2.2 PUENTES TÉRMICOS
Según la definición recogida en el DB-HE1 del CTE se consideran puentes térmicos las zonas de la envolvente del edificio en las que se evidencia una variación de la uniformidad de la construcción lo que conlleva necesariamente una minoración de la resistencia térmica respecto al resto de los cerramientos. Los puentes térmicos son partes sensibles de los edificios donde aumenta la posibilidad de producción de condensaciones superficiales, en la situación de invierno o épocas frías. CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN
Un puente térmico es una parte del cerramiento de un edificio donde la resistencia térmica normalmente uniforme cambia significativamente debido a: - penetraciones completas o parciales en el cerramiento de un edificio, de materiales de diferente conductividad térmica; y/o - un cambio en el espesor de la fabrica; y/o - una diferencia entre áreas interiores y exteriores, tales como intersecciones de paredes, suelos o techos. Los puentes térmicos en la edificación se clasifican en: a) Puentes térmicos lineales: Los puentes térmicos más comunes son de dos dimensiones, los cuales se forman como uniones de dos o más elementos edificatorios (por ejemplo una ventana en una pared o la intersección de dos cerramientos) o son los lugares donde la 53
composición estructural de un elemento edificatorio está cambiando (por ejemplo un pilar o una columna embebido en un cerramiento). Esto conlleva un cambio del flujo de calor y por tanto de la temperatura superficial en la cara interior de un elemento constructivo. La figura 23 muestra la localización típica de estos tipos de puentes térmicos bidimensionales.
Figura 23. Localización de los puentes térmicos lineales más comunes Fuente: Regodón y Tenorio, 2005
Este tipo de puentes térmicos podrían clasificarse en: a.1) puentes térmicos integrados en los cerramientos: - pilares integrados en los cerramientos de las fachadas. - contorno de huecos y lucernarios. - cajas de persianas. - otros puentes térmicos integrados. a.2) puentes térmicos formados por encuentro de cerramientos: - frentes de forjado en las fachadas. - uniones de cubiertas con fachadas. − cubiertas con pretil. − cubiertas sin pretil. - uniones de fachadas con cerramientos en contacto con el terreno: − unión de fachada con losa o solera. − unión de fachada con muro enterrado o pantalla. 54
- esquinas o encuentros de fachadas, dependiendo de la posición del ambiente exterior respecto del interior, que se subdividen en: − esquinas entrantes. − esquinas salientes. a.3) encuentros de voladizos con fachadas; a.4) encuentros de tabiquería interior con fachadas. b) Puentes térmicos puntuales o tridimensionales: los cuales se forman cuando un cerramiento aislado térmicamente es perforado por otro elemento con una alta conductividad térmica (punto de puente térmico) o la intersección de tres esquinas (Figura 24).
Figura 24. Puente térmico puntual Fuente: Regodón y Tenorio, 2005
Los aspectos a considerar respecto a los puentes térmicos son los siguientes: - un eventual incremento de pérdidas de calor cuando se calculen las cargas, necesidades energéticas y niveles de aislamiento del edificio. - un eventual riesgo de condensaciones y producción de moho resultante de la temperatura superficial interior de la zona del puente térmico. La norma EN ISO 14683 recoge valores por defecto de unos 50 puentes térmicos lineales, algunos de ellos se encuentran muy fácilmente en edificación. Estos valores por defecto se han obtenido con la ayuda de cálculos numéricos y se basan en el modelo numérico bidimensional de acuerdo con la norma EN ISO 10211-2. Los problemas que pueden surgir de los puentes térmicos son los siguientes: - Los puentes térmicos se convierten en partes sensibles de los edificios por donde se produce un incremento de las pérdidas de calor, donde se puede producir una sensación 55
de inconfortabilidad por frío, y donde aumenta la posibilidad de producción de condensaciones superficiales, en la situación de invierno o épocas frías. - La existencia de puentes térmicos, además de las pérdidas de energía que se producen en eses puntos, provocan la formación de moho, degradación de los elementos constructivos y condiciones de insalubridad para los ocupantes.. - El incremento de pérdidas de calor llega a ser mayor cuanto más aislados estén el resto de cerramientos. Los puentes térmicos deben evitarse, pero algunos de ellos serán casi inevitables (por ejemplo balcones, los alfeizares de las ventanas, voladizos, etc.). Ciertos puentes térmicos pueden evitarse en la fase de diseño de los edificios, ya sean de nueva planta u obras de restauración. Una buena solución genérica es aplicar el aislamiento térmico por el exterior. Para evitar los puentes térmicos en ventanas y puertas se usa lo que se denomina rotura de puente térmico que consiste en evitar que la cara interior y exterior tenga contacto entre sí, intercalando un mal conductor, con lo que se reduce mucho las pérdidas. Por ejemplo, para el caso de ventanas de aluminio suele utilizarse un perfil separador de plástico incorporado en el propio perfil del aluminio que conforma la ventana. El sistema de rotura más utilizado para los cerramientos de aluminio son las varillas de poliamida 6.6 reforzadas con un 25% de fibra de vidrio. Las ventajas de prestar especial atención a evitar la aparición de puentes térmicos o resolverlos en las obras de rehabilitación son: - El ahorro de energía. La legislación es cada vez más estricta en materia de eficiencia energética de los edificios con el objetivo de reducir la emisión de CO2. - La limitación de la condensación. En climas fríos cuando la temperatura exterior es muy baja y en el interior la humedad relativa es elevada, se produce condensación sobre los perfiles interiores, debido a que la temperatura del perfil interior está por debajo de la temperatura del rocío. Con la rotura del puente térmico se consigue elevar la temperatura superficial del perfil interior, en consecuencia se reduce la condensación. - El cumplimiento del Código Técnico de la Edificación que obliga a que los cerramientos de aluminio sean con rotura de puente térmico en un 80% de la geografía española. 2.3.3
Es la propiedad de una ventana o puerta de dejar pasar el aire cuando se encuentra sometida a una presión diferencial. La permeabilidad al aire se caracteriza por la capacidad de paso del aire, expresada en m3/h, en función de la diferencia de presiones. Las carpinterías de los huecos (ventanas y puertas) y lucernarios de los cerramientos se caracterizan por su permeabilidad al aire. 56
La permeabilidad de las carpinterías de los huecos y lucernarios de los cerramientos que limitan los espacios habitables con el ambiente exterior se limita en función del clima de la localidad en la que se ubican, según la zonificación climática establecida anteriormente en el apartado 2.3.1 de este tema. La permeabilidad al aire de las carpinterías, medida con una sobrepresión de 100 Pa, tendrá unos valores inferiores a los siguientes: a) para las zonas climáticas A y B: 50 m3/h m2; b) para las zonas climáticas C, D y E: 27 m3/h m2.
3 MÉTODOS DE CÁLCULO 3.1
La Opción Simplificada para verificación del cumplimiento de la HE-1 tiene carácter prescriptivo, es decir, sus resultados deben ser inferiores a los valores de referencia establecidos en la HE-1, y resulta muy adecuada para edificios de poca complejidad, dado que su aplicación es más rápida que la opción general LIDER. Existen diversas aplicaciones informáticas en forma de hoja de cálculo que facilitan el uso de esta opción, como la del Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid, COAM. En el Ministerio de Vivienda, dentro de los Documentos Reconocidos del CTE, existe una aplicación informática, Verificador del cumplimiento del Documento Básico HE-1: opción simplificada, que únicamente puede utilizarse on-line para cumplimiento de esta opción. Además si se quiere optar por una Opción Simplificada de calificación es necesario seguir este camino para cumplimiento de la limitación de la demanda. El objeto de esta Opción Simplificada, es: a) limitar la demanda energética de los edificios, de una manera indirecta, mediante el establecimiento de determinados valores límite de los parámetros de transmitancia térmica U y del factor solar modificado F de los componentes de la envolvente térmica; b) limitar la presencia de condensaciones en la superficie y en el interior de los cerramientos para las condiciones ambientales establecidas en este DB; c) limitar las infiltraciones de aire en los huecos y lucernarios; d) limitar en los edificios de viviendas la transmisión de calor entre las unidades de uso calefactadas y las zonas comunes no calefactadas. Son objeto de esta opción simplificada los cerramientos y particiones interiores que componen la envolvente térmica del edificio. A efectos de limitación de la demanda, se incluirán en la consideración anterior sólo aquellos puentes térmicos cuya superficie sea superior a 0,5 m2 y que estén integrados en las fachadas, tales como pilares, contornos de huecos y cajas de persiana. No se incluirán en la consideración anterior las puertas cuyo porcentaje de superficie semitransparente sea inferior al 50 %. Según el apartado 3.2.1.4 de la HE-1, el procedimiento de aplicación mediante la opción simplificada es el siguiente: 1. Definición de la envolvente térmica y cerramientos objeto (Apdo. 3.2.1.3, HE-1) 58
2. Cálculo de los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores (Apéndice E, HE-1) 3. Comprobación limitaciones de permeabilidad al aire de las carpinterías de los huecos y lucernarios (Apdo. 2.3, HE-1) 4. Determinación de la zonificación climática (Apdo. 3.1.1, HE-1) 5. Limitación de la demanda energética - Transmitancias térmicas de los cerramientos inferiores al valor máximo de la tabla 2.1 - Cálculo de los parámetros característicos medios del edificio - Comprobación de que los p.c.m. son inferiores a los valores límite de las tablas 2.2 - En edificios de vivienda, limitación de la transmitancia térmica de las particiones interiores 6. Control de condensaciones intersticiales y superficiales (Apéndice G, HE-1) 7. Clasificación de los espacios del edificio (Apdo. 3.1.2, HE-1) 8. Documentación justificativa (Apéndice H, HE-1)
El objeto de la opción general consiste en:
a) limitar la demanda energética de los edificios de una manera directa, evaluando dicha demanda mediante un método de cálculo reconocido que cumpla lo especificado en la HE-1. Esta evaluación se realizará considerando el edificio en dos situaciones: - como edificio objeto, es decir, el edificio tal cual ha sido proyectado en geometría (forma y tamaño), construcción y operación; - como edificio de referencia, que tiene la misma forma y tamaño del edificio objeto; la misma zonificación interior y el mismo uso de cada zona que tiene el edificio objeto; los mismos obstáculos remotos del edificio objeto; y unas calidades constructivas de los componentes de fachada, suelo y cubierta por un lado y unos elementos de sombra por otro que garantizan el cumplimiento de las exigencias de demanda energética, establecidas en la HE-1; b) limitar la presencia de condensaciones en la envolvente térmica, según la HE-1; c) limitar las infiltraciones de aire para las condiciones establecidas en la HE-1.
Como puede verse, se trata de las mismas comprobaciones que debe realizar la opción simplificada, aunque con otros métodos de cálculo, especialmente en lo que se refiere a la demanda energética. 3.2.1
La única limitación para la utilización de la opción general es la derivada del uso en el edificio de soluciones constructivas innovadoras cuyos modelos no puedan ser introducidos en el programa informático que se utilice. En el caso de utilizar soluciones constructivas no incluidas en el programa se justificarán en el proyecto las mejoras de ahorro de energía introducidas y que se obtendrán mediante método de simulación o cálculo al uso. 3.2.2
El procedimiento de aplicación para verificar que un edificio es conforme con la opción general consiste en comprobar que: a) las demandas energéticas de la envolvente térmica del edificio objeto para régimen de calefacción y refrigeración son ambas inferiores a las del edificio de referencia. Por régimen de calefacción se entiende, como mínimo, los meses de diciembre a febrero ambos inclusive y por régimen de refrigeración los meses de junio a septiembre, ambos inclusive. Como excepción, se admite que en caso de que para el edificio objeto una de las dos demandas anteriores sea inferior al 10% de la otra, se ignore el cumplimiento de la restricción asociada a la demanda más baja. Además para evitar descompensaciones entre la calidad térmica de diferentes espacios, cada uno de los cerramientos y particiones interiores de la envolvente térmica tendrán una transmitancia no superior a los valores indicados en la tabla 2.1 de la HE-1 en función de la zona climática en la que se ubique el edificio. b) la humedad relativa media mensual en la superficie interior sea inferior al 80% para controlar las condensaciones superficiales. Comprobar, además, que la humedad acumulada en cada capa del cerramiento se seca a lo largo de un año, y que la máxima condensación acumulada en un mes no sea mayor que el valor admisible para cada material aislante. c) el cumplimiento de las limitaciones de permeabilidad al aire de las carpinterías de los huecos establecidas en la HE-1. d) en el caso de edificios de viviendas, la limitación de la transmitancia térmica de las particiones interiores que limitan las unidades de uso con las zonas comunes del edificio según la HE-1. 60
Estas comprobaciones se han de realizar mediante programas informáticos que desarrollen el método de cálculo. 3.2.3
DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO PARA LA UTILIZACIÓN DEL MÉTODO DE CÁLCULO
Para el uso de la opción general se debe disponer de los datos que se detallan a continuación. a) situación, forma, dimensiones de los lados, orientación e inclinación de todos los cerramientos de espacios habitables y no habitables. De igual manera se precisará si están en contacto con aire o con el terreno; b) longitud de los puentes térmicos, tanto de los integrados en las fachadas como de los lineales procedentes de encuentros entre cerramientos; c) para cada cerramiento la situación, forma y las dimensiones de los huecos (puertas, ventanas, lucernarios y claraboyas) contenidos en el mismo; d) para cada hueco la situación, forma y las dimensiones de los obstáculos de fachada, incluyendo retranqueos, voladizos, toldos, salientes laterales y cualquier otro elemento de control solar exterior al hueco; e) para las persianas y cortinas exteriores no se definirá su geometría sino que se incluirán coeficientes correctores de los parámetros de caracterización del hueco; f) la situación, forma y dimensiones de aquellos obstáculos remotos que puedan arrojar sombra sobre los cerramientos exteriores del edificio. Para la definición constructiva se precisarán para cada tipo de cerramiento los datos siguientes: a) Parte opaca de los cerramientos: - espesor y propiedades de cada una de las capas (conductividad térmica, densidad, calor especifico y factor de resistencia a la difusión del vapor de agua); - absortividad de las superficies exteriores frente a la radiación solar en caso de que el cerramiento esté en contacto con el aire exterior; - factor de temperatura de la superficie interior en caso de que se trate de cerramientos sin capa aislante. b) Puentes térmicos: - transmitancia térmica lineal c) Huecos y lucernarios: - transmitancia del acristalamiento y del marco; - factor solar del acristalamiento; - absortividad del marco; - corrector del factor solar y corrector de la transmitancia para persianas o cortinas exteriores; 62
- permeabilidad al aire de las carpinterías de los huecos para una sobrepresión de 100 Pa. (Para las puertas se proporcionará siempre un valor por defecto igual a 60 m3/hm2). Se especificará para cada espacio si se trata de un espacio habitable o no habitable, indicando para estos últimos, si son de baja carga interna o alta carga interna. Se indicarán para cada espacio la categoría del mismo en función de la clase de higrometría o, en caso de que se pueda justificar, la temperatura y la humedad relativa media mensual de dicho espacio para todos los meses del año. PROGRAMA INFORMÁTICO DE REFERENCIA
El método de cálculo de la opción general se formaliza a través de un programa informático oficial o de referencia que realiza de manera automática los aspectos mencionados en el apartado anterior, previa entrada de los datos necesarios. La versión oficial de este programa se denomina Limitación de la Demanda Energética, LIDER, y tiene la consideración de Documento Reconocido del CTE, estando disponible al público para su libre utilización. Para la verificación de la opción general se podrán utilizar otros programas de ordenador alternativos basados en el método de cálculo y que sean Documentos Reconocidos del CTE. Actualmente no existe ningún otro programa informático alternativo. LIDER está diseñado para definir edificios de cualquier tamaño, siempre que se verifiquen las siguientes condiciones: 1) el número de espacios no debe superar el límite de 100; 2) el número de elementos (cerramientos del edificio, incluyendo los interiores y las ventanas) no debe superar el límite de 500; 3) cuando sea necesaria la compatibilidad con el programa CALENER_GT, se deben verificar además las condiciones especificadas en el apartado Compatibilidad entre LIDER y CALENER. En caso de que el edificio supere alguna de las limitaciones 1 ó 2, sólo con el propósito de verificar el límite de demanda energética de la HE-1, se podrá dividir el edificio en tantas partes como sea necesario, debiéndose considerar el siguiente criterio de verificación: 1) si todas las partes cumplen, el edificio cumple; 2) si alguna parte no cumple, se deberá calcular la demanda promedio del edificio y la de su edificio de referencia, ponderado por las áreas de cada parte del edificio. Para el cálculo de los promedios y comparación entre el edificio objeto y el de referencia, se 63
suministra un programa de cálculo, PROMEDIAR.EXE en el mismo directorio del programa LIDER; 3) si ninguna de las partes cumple, el conjunto evidentemente no cumple. Para realizar la calificación energética, de un edificio que supere las limitaciones 1 o 2, pero que cuente con instalaciones centralizadas, se podrá definir el edificio completo en LIDER, aun superando los límites anteriores, para el único propósito de exportarlo al programa CALENER_GT, para realizar la definición de las instalaciones y posteriormente calcular la calificación energética. Cuando se define la totalidad del edificio en el programa LIDER, este procede a realizar el cálculo del edificio. Se inicia el motor de cálculo de la demanda energética para el edificio objeto y el de referencia. Calcula el cumplimiento de la limitación de demanda energética con respecto al edificio referencia en cuanto a calefacción y refrigeración. Al finalizar el proceso y si los parámetros que se han introducido cumplen, se muestra una pantalla como la reproducida en la siguiente figura:
Figura 25. Resultado programa LIDER – Opción general.
Tema 2 Limitación de la Demanda Energética
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References: artículo 2
 artículo 9
 artículo 2
 Real Decreto 
 Real Decreto 
 Real Decreto 
 Artículo 15
 artículo 5
 Artículo 15