Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
Teresa Palomo Amores, Daniel Castro Medina, M. Carmen Guerrero Delgado, José Sánchez Ramos y Servando Álvarez Domínguez, Grupo de Termotecnia, AICIA, de la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla.
Resumen
Los distritos de viviendas sociales en pobreza energética en el sur de España presentan un grave problema de sobrecalentamiento en régimen de refrigeración. En estos casos, las medidas convencionales para mejorar el rendimiento de la envolvente del edificio no son suficientes, En este trabajo se diseña e integra una solución innovadora en más de 2500 m2 de cubierta transitable en un distrito de vivienda sociales en bloque situadas en Mengíbar, Jaén. Dicha solución consiste en una cubierta activa que permite la explotación de la inercia térmica y la integración de sumideros medioambientales.
Palabras clave
Sobrecalentamiento, distritos, rehabilitación, soluciones innovadoras
Introducción
Los compromisos actuales propuestos por la Unión Europea con el objetivo de atenuar los efectos del cambio climático llevan a la necesaria actuación sobre el sector de la edificación. La mejora de la eficiencia energética es esencial para la consecución de los objetivos de la Unión Europea en materia de clima y energía, ocasionando una situación de economía hipocarbónica (COM, 2014).
Dentro de este contexto, se encuentran las zonas en pobreza energética de España, caracterizadas por unas necesidades básicas de suministro de energía insatisfechas debido a un bajo nivel de ingresos, cuya situación puede verse empeorada debido a las ineficiencias energéticas de las viviendas. Entre 3,5 y 8 millones de personas se encuentran en situación de pobreza energética en nuestro país, no pudiendo mantener temperaturas apropiadas tanto en verano como en invierno, reduciendo el nivel de confort. Esta situación se ve agravada dentro de los distritos de viviendas sociales en el sur de España, manifestando un grave problema de sobrecalentamiento en régimen de refrigeración. El sobrecalentamiento en los hogares, prolongado durante largos periodos, puede tener graves consecuencias para la salud de los ocupantes (AECOM, 2012). La tendencia al alza de las temperaturas tendrá un impacto directo sobre el aumento de días con altas temperaturas extremas y la reducción de días con bajas temperaturas (Adlington & Ceranic, 2018), haciendo que el problema por sobrecalentamiento sea aun mayor.
Las estrategias convencionales de mejora del rendimiento de la envolvente consiguen una considerable reducción de la demanda de calefacción (Eskander et. al, 2017; Pinheiro et. al, 2016), sin embargo, en la mayoría de los casos provoca a su vez un aumento de la demanda en régimen de refrigeración en los edificios, lo que hace necesario el estudio de soluciones innovadoras. La solución constructiva de la doble envolvente cuenta con grandes ventajas respecto a un cerramiento único, facilitando el enfriamiento nocturno (Monje & Maruri, 2018), sin embargo, posee ciertas desventajas que serán solventadas con la solución propuesta.
En este trabajo, se presenta una solución innovadora en más de 2500m2 de cubierta activa en un distrito de viviendas sociales en bloque situadas en Mengíbar, Jaén, sirviendo como ejemplo de integración de componentes de alta tecnología. Permite reducir la demanda energética de acondicionamiento a través de la explotación de la inercia térmica, siendo controlado de forma inteligente en función de las predicciones climáticas y contando con diferentes modos de funcionamiento, lo que le permite adaptarse a las necesidades del edificio. Esta solución permite además la integración de sumideros de calor natural como el enfriamiento evaporativo. El uso de sistemas evaporativos directos mediante micronización de agua potencia el efecto del enfriamiento natural.
Este trabajo se enclava dentro de un proyecto de rehabilitación real junto con la Agencia de Vivienda y Rehabilitación de Andalucía (AVRA) con el objetivo de mejorar la eficiencia energética de un grupo de viviendas sociales, aplicando una solución innovadora que permita reducir la demanda energética, así como aumentar los niveles de confort en los residentes. Se presentará en primer lugar la descripción del caso a estudio, seguido por la descripción del elemento, detallando su funcionamiento y resultados, finalizando con un breve resumen y conclusiones.
Caso a estudio
El caso a estudio es el distrito de viviendas sociales propiedad de la Agencia de Vivienda y Rehabilitación de Andalucía, situado en Mengíbar, Jaén, formado por 150 viviendas, sumando 8400m2 de edificio residencial (Figura 1).
Se caracteriza por un clima severo, especialmente en régimen de refrigeración. La eficiencia térmica de los edificios es bastante pobre, lo que junto con los bajos ingresos de los residentes, hace que los hogares a estudio vivan en una situación de pobreza energética. Para solventar esta situación, se realizará una rehabilitación convencional, mejorando la calidad constructiva de la fachada, a través de la mejora del aislamiento, reducción de las infiltraciones, mejora de los puentes térmicos, etc (Figura 2). Sin embargo, para aumentar el efecto de las anteriores, aumentando la eficiencia energética del parque inmobiliario, en este trabajo se presenta una solución innovadora, consistente en una cubierta activa sobre más de 2500 m2.
Debido a la situación económica de los ocupantes, no todos los hogares cuentan con un sistema de climatización, lo que provoca que los residentes se vean sometidos a insoportables temperaturas tanto en invierno como en verano, tal y como se observa en la figura 3.
Descripción de la solución de cubierta
La solución innovadora presentada en este documento ha sido desarrollada por el Grupo Termotecnia. Permite mitigar las consecuencias tanto de las altas temperaturas en régimen de refrigeración, como de las bajas temperaturas en los meses de calefacción.
Está formada por una cámara de aire de 5 cm de alto entre la cubierta existente y el muro exterior, de tal manera que se asemeja a una fachada ventilada convencional. El muro exterior se encuentra aislado en forma de “sándwich” de EPS, de un espesor total de 8 cm (Figura 5), aportando una gran capacidad de aislamiento a la vez que ligereza y ayudando así a la reducción de la transferencia de temperatura conseguida en la cámara hacia el exterior.
La cubierta diseñada destaca por ser un diseño adaptativo al clima. Por ello, dicha solución presenta dos modos de operación. El modo de operación en régimen de refrigeración (figura 6) consiste en hacer circular durante la noche el aire exterior por la cámara, enfriando la hoja interior. Debido a las altas temperaturas nocturnas, se incluye un sistema de enfriamiento evaporativo permitiendo un descenso pronunciado de ésta. Durante el día, se paran los ventiladores para que el “frio” acumulado se transfiera al interior de las viviendas. De esta manera se consigue disminuir la temperatura del interior de las viviendas, aportando un mayor nivel de confort a los residentes. Durante el régimen de calefacción, la cámara de aire permanece estanca y debido al elevado aislamiento de su hoja exterior se garantizan unas elevadas prestaciones en régimen de calefacción.
Para su implantación se diseñaron 3 tipos de módulos usando técnicas CFD. Cada módulo tiene unas dimensiones y geometría diferente (figura 7). El objetivo era poder tener un replanteo sobre las cubiertas de los bloques lo más repetitivo posible pero garantizando que en todos los módulos se tenía una distribución de aire uniforme. Además del tamaño, la distribución de tabiquillos en el interior del módulo debe garantizar un flujo uniforme en toda la cubierta a partir de una entrada y salida centralizada del módulo. Es importante que se eviten puntos calientes o fríos que reduzcan la eficiencia del sistema. La figura 7 presenta 3 tipologías de cubiertas, las cuales han sido diseñadas por tipología de bloque mediante el análisis aeráulico de las mismas, tal y como se ha comentado previamente. Asímismo, el control de la operación de la mismas se lleva a cabo mediante la integración de un controlador por cubierta.
Desde marzo 2019 se está midiendo el consumo eléctrico de un conjunto de viviendas representativas, la temperatura/humedad en salón y el dormitorio principal, y la temperatura superficial del techo del salón en las viviendas bajo cubierta. En los elementos de cubierta se conoce la temperatura de entrada del aire al sistema, el caudal de agua impulsada por el sistema evaporativo, el estado de compuertas / extractor, y la temperatura/humedad del aire a la salida de las cubiertas. Actualmente se está haciendo la puesta en marcha del sistema, tal y como aparece en la figura 8. se está comprobando el funcionamiento de bombas para los micronizadores de la cubierta, apertura y cierre de compuertas, y operación del extractor en su rango de operación.
Resultados de la fase de diseño
En esta sección se muestran los resultados finales de la fase de diseño que motivaron a la propiedad a apostar por esta solución innovadora.
Los diferentes paquetes de medidas de mejoras estudiadas son las siguientes:
Los resultados obtenidos a nivel de bloque muestran que el impacto en la demanda de calefacción es mucho mayor al impacto en modo refrigeración para todo el conjunto de medidas de mejora estudiadas. Sin embargo, como se observa en la figura 9 derecha, el impacto de la cubierta activa en la vivienda situada bajo cubierta reduce enormemente la demanda de refrigeración de la misma, logrando con ello una clara mejora del confort térmico de sus ocupantes.
Los resultados de la evaluación del impacto en la vivienda bajo cubierta en términos de confort térmico muestran que la integración de la cubierta activa en régimen de refrigeración es capaz de reducir el nivel de disconfort térmico un 90% aproximadamente, tal y como se muestran en los resultados mostrados en la figura 10. Esto demuestra el interés de dicha solución de rehabilitación en todo el distrito estudiado, tanto a nivel de vivienda bajo cubierta, como a nivel de bloque, tal y como se muestra en la figura 8.
Conclusiones
En el trabajo descrito se ha llevado a cabo el diseño e integración de una solución innovadora de cubierta que permite la integración de dos sumideros medioambientales de calor: el aire frío nocturno y enfriamiento evaporativo. La valoración del impacto de dicha solución innovadora fue analizado en fase de prediseño, obteniendo resultados favorables y por tanto motivan a la integración de la solución estudiada en un distrito de viviendas sociales situados en Mengíbar (Jaén). La cubierta diseñada para el distrito de viviendas sociales de Mengíbar destaca su integración en más de 2500 m2 y ser una de las primeras experiencias reales del mundo de tal envergadura. Dicha solución integra además un control inteligente del funcionamiento de las cubiertas, las cuales funcionarán en función de las condiciones climáticas y las necesidades energéticas del edificio. Actualmente se encuentra en fase de puesta en marcha y será objeto de futuros estudios la evaluación del impacto real de la solución en operación.
Agradecimientos
Los autores quisieran aprovechar esta oportunidad para agradecer a la Agencia de Vivienda y Rehabilitación de Andalucía (AVRA) por la cooperación y apoyo en el trabajo realizado, con el objetivo de promover el desarrollo tecnológico, la innovación y una investigación de calidad.
Referencias
- A. Brandão de Vasconcelos, M.D. Pinheiro, A. Manso, A. Cabaço, EPBD cost-optimal methodology: Application to the thermal rehabilitation of the building envelope of a Portuguese residential reference building, Energy Build. 111 (2016) 12–25. doi:10.1016/j.enbuild.2015.11.006.
- Adlington M., Ceranic B. (2018) A critical review of the impact of global warming on overheating In Buildings, paper presented at the7th Global Conference on Global Warming, Izmir, Turkey, 24-28 June.
- COM (2014). A policy framework for climate and energy in the period from 2020 to 2030
- Ministry of Housing, Communities & Local Government (2012). Investigation into Overheating in Homes: Literature review.
- M.M. Eskander, M. Sandoval-Reyes, C.A. Silva, S.M. Vieira, J.M.C. Sousa, Assessment of energy efficiency measures using multi-objective optimization in Portuguese households, Sustain. Cities Soc. 35 (2017) 764–773. doi:10.1016/j.scs.2017.09.032.
- Monje, A., & Maruri, N. (2018). El ahorro energético de una doble piel. Energy savings of a double skin. The power of skin. New Materiality in Contemporary architectural Design, 206-222.