Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Juan María Hidalgo Betanzos, Personal investigador, UPV/EHU
- Eider Iribar Solaberrieta, Personal investigador, UPV/EHU
- Imanol Ruiz de Vergara Ruíz de Azúa, Personal investigador, UPV/EHU
- Moisés Odriozola Maritorena, Personal investigador, UPV/EHU
- Iván Flores Abascal, Personal investigador, UPV/EHU
- Cesar Escudero Revilla, Personal investigador, UPV/EHU
- Carlos García-Gáfaro, Personal investigador, Gobierno Vasco
- Jose Antonio Millan García, Personal investigador, UPV/EHU
Resumen
Se analizan las mejoras necesarias en el diseño de edificios de vivienda colectiva para poder alcanzar la consideración de EECN. Se toma como base de análisis un conjunto de más de 30 certificaciones energéticas realizadas durante el año 2013 con la herramienta CALENER VyP. Dichos edificios son de uso residencial colectivo y presentan diversas tipologías, teniendo casos de grandes dimensiones y bloques de reducido tamaño. Todos ellos se ubican en las zonas climáticas C1 y D1 y han sido construidos en el País Vasco entre 2006 y 2013. Con el análisis estadístico de los datos obtenidos, se muestra la tendencia habitual en los últimos años y se valoran las mejoras que serían necesarias en las partes de la envolvente, los sistemas de calefacción y la ventilación, para que un edificio residencial tipo del CTE pueda alcanzar una demanda de calefacción en torno a 15kWh/m2a.
Introducción
La posible obligatoriedad de construir Edificios de Energía Casi Nula está cada vez más cerca. El objetivo del presente estudio es definir los grados de mejora más adecuados en el diseño de edificios de vivienda colectiva para poder alcanzar la consideración de Edificios de Energía Casi Nula (EECN).
Para tal fin se optimizan cada uno de los componentes que participan en la demanda energética de calefacción del edificio: envolvente opaca, carpinterías, puentes térmicos y ventilación. Se desea discutir si los sistemas constructivos actuales permiten alcanzar los niveles de alta eficiencia necesarios para los próximos años en la tipología residencial colectiva, como caso más frecuente de los entornos urbanos.
Casos de Estudio y Metodología
La muestra de estudio reúne un conjunto de edificios de vivienda colectiva que han sido construidos según el Código Técnico de Edificación y que presentan un buen comportamiento energético con calificaciones energéticas A, B o C. El conjunto de edificios reúne diferentes características, recogiéndose en la Tabla 1 las principales: número de viviendas, superficie construida, envolvente, instalaciones, etc.
Las comparativas entre los diferentes casos se ha basado en tres parámetros: la energía de calefacción demandada por cada metro cuadrado de vivienda obtenida en la certificación, el número de viviendas y el correspondiente consumo energético igualmente obtenido en la certificación.
En primer lugar se ha analizado la demanda (calefacción) de cada caso, estudiando cada proyecto de edificación, aplicando criterios comunes de certificación energética y utilizando la herramienta reconocida oficial CALENER VYP.
En los siguientes apartados se ha seleccionado un edificio dentro de la muestra general como edificio tipo en el que se analizan las mejoras posibles de manera ordenada. Se valoran la eficiencia de cada medida respecto a la reducción de la demanda energética obtenida.
Finalmente, se observan los resultados finales combinados y se recogen unas conclusiones y unas futuras líneas de trabajo para alcanzar edificios de consumo de energía casi nula.
Resultados y Análisis
Estado actual del parque inmobiliario: Demanda energética
Las demandas energéticas de cada edificio se han agrupado por zonas climáticas C1 y D1 (más fría), en la Imagen 1 se muestra el análisis para cada zona, incluyendo la demanda media, la desviación típica y las demandas de referencia obtenidas a partir de los valores límite de la normativa aplicable del CTE DB-HE 2006 y de su reciente actualización en 2013.
Cabe destacar que el nivel de demanda CTE 2006 corresponde a la media para los “edificios de referencia” del conjunto analizado, mientras que el nivel de demanda CTE 2013 es un valor neto, explícitamente indicado por esta reciente versión del código técnico. En la Imagen 2 se relacionan los consumos y demandas energéticas de cada edificio, asignando la calificación obtenida en cada caso: A, B o C.
Una vez conocido el espectro de edificios construidos con buenas calificaciones energéticas, se selecciona un edificio como edificio tipo o representativo del conjunto. Así, el edificio tipo se analiza en mayor grado de detalle, separando la demanda general en dos partes, una debida a las pérdidas a través de la envolvente y la otra que corresponde a las pérdidas por ventilación de acuerdo con un régimen medio de 1 renovación por hora. En la Tabla 2 se muestra el reparto de la envolvente y la ventilación en la demanda del edificio tipo de cada zona.
Optimización de la envolvente opaca
Como primer paso hacia la optimización de la envolvente se actúa sobre el elemento con mayor superficie, la parte opaca. Se desea conocer la repercusión del aislamiento térmico en la fachada, para ello se han realizado sucesivas simulaciones en el edificio Tipo para cada zona climática. La envolvente reúne tanto las fachadas, cubierta y forjado con locales comerciales y se mantienen constantes el resto de parámetros. La Imagen 3 (dcha) muestra la reducción de la demanda energética a medida que se reduce la transmitancia térmica media de la envolvente. Para alcanzar dichas transmitancias térmicas, se requiere un espesor de aislamiento cada vez mayor, para visualizar su dimensión se ha tomado como referencia un aislamiento convencional de conductividad 0,036 W/Km (lana mineral) obteniéndose una tendencia horizontal en espesores por encima de 15cm (Imagen 3, izq).
Para optimizar el aislamiento térmico colocado se ha calculado la reducción de demanda que implica cada aumento de espesor, representando en la Imagen 4 la curva de eficiencia o aprovechamiento. Predomina la tendencia creciente inicial y horizontal posterior que indica la existencia de un punto óptimo de aislamiento, es decir, un espesor a partir del cual la reducción conseguida es cada vez menor hasta poder llegar a ser casi inexistente. Dicho punto se encuentra en torno a los 10cm (zona C1) y los 12cm (zona D1) y se corresponde con el agotamiento de la envolvente opaca en el edificio tipo analizado.
Optimización de las carpinterías
Una vez definido el aislamiento óptimo de la envolvente, se ha analizado la repercusión de las carpinterías de forma similar. Así, con transmitancias medias de envolvente de 0,3 y 0,4 W/m2K se han realizado sucesivas simulaciones con transmitancias térmicas de carpintería de entre 1,2 y 2,4. Subrayar que la transmitancia media de la carpintería incluye vidrio, marco y persiana según el caso y que en general, estas carpinterías están disponibles actualmente en el mercado. La Imagen 5 muestra la evolución de la demanda energética según la transmitancia térmica de carpinterías. Además, analizando la eficiencia de cada mejora se aprecia que no hay un punto de agotamiento en el intervalo calculado.
Optimización de puentes térmicos
Los puentes térmicos tienen gran incidencia en el comportamiento energético y aunque cada caso presente unas soluciones concretas, se han estudiado los tres puentes térmicos más frecuentes en la muestra de estudio: Frente de forjado, frente de pilar y pilar en esquina de fachada. El espesor del aislamiento térmico en dichos puntos singulares se reduce por falta de espacio en la ejecución material, con las consecuentes pérdidas térmicas adicionales.
Una solución técnica habitual para mitigar dicho efecto es la continuidad del espesor del aislamiento en todos los puntos de la envolvente por el exterior. Para valorar si esta solución evita los puentes térmicos, en la Imagen 6 se muestran los gradientes de temperaturas en caso de disponer un aislamiento continuo por el exterior. Se aprecia que dichas soluciones de aislamiento continuo por el exterior no solucionan en sí mismas el problema, especialmente en el pilar en esquina y en lugares donde la propia geometría produzca una sobreexposición.
Para cuantificar de forma detallada su efecto se ha empleado el programa FLUENT v6.1.22 que ha permitido calcular las perdidas térmicas a través de los tres puentes térmicos (PT) mostrados a lo largo de un año. Así, el PT de forjado aumenta las pérdidas un 36%, el PT de frente de pilar un 65% y el PT de pilar en esquina un 183%, suponiendo prácticamente el triple de las pérdidas en un tramo opaco. Estos resultados se relacionan además con importantes caídas de temperatura que pueden llegar a alcanzarse en la cara interior del cerramiento, que causa frecuentemente diversas patologías de condensación.
A escala de edificio se han estudiado los principales casos de la muestra de estudio y se ha comprobado que el conjunto de los PT aumenta en torno a un 30% la demanda energética a través de la envolvente opaca. Por lo tanto, dado que el potencial de mejora es alto, para alcanzar envolventes optimizadas es necesario analizar de forma pormenorizada las medidas que minimicen los efectos de los PT.
Optimización de la ventilación
Se ha comprobado que la ventilación supone en torno al 70% de la demanda térmica en edificios con buena calificación energética según las exigencias del CTE DB-HE 2006. Para reducir y optimizar su funcionamiento se han tenido en cuenta los parámetros implicados más importantes: caudal de ventilación nominal, grado de ocupación, calor perdido en la ventilación y consumo energético del propio sistema de ventilación.
En primer lugar, la ocupación en los edificios residenciales presenta un potencial de mejora importante en la medida en que se puede adecuar el caudal de ventilación al nivel de ocupación o necesidades de sus usuarios, manteniendo en todo momento la calidad del aire interior según las exigencias normativas de salubridad (DB HS3). En la Imagen 7 se muestran las frecuencias acumuladas de ventilación según el procedimiento de detección.
Así, la Imagen 8 recoge los cuatro potenciales de mejora para la reducción de la demanda térmica vinculada a la ventilación y teniendo en cuenta los parámetros anteriores (Opt Veld P., 2000). Se aprecia que los dos sistemas más adecuados para reducir de forma importante la demanda por ventilación son el de flujo simple con detección de CO2 y el de doble flujo con recuperación de calor de alta eficiencia (85% individual). Conviene recordar que el rendimiento de los sistemas de doble flujo se reduce por las infiltraciones de la envolvente.
En segundo lugar, el consumo energético asociado a la impulsión del aire por el sistema de ventilación puede ser significativo según la eficiencia de los equipos instalados. El factor SFP o Specific Fan Power indica el grado de eficiencia de los ventiladores empleados. El sistema de doble flujo con recuperación de calor supone una importante reducción del consumo de energía primaria por calefacción, aunque por otro lado, la necesidad de incorporar un ventilador de impulsión hace que aumente de forma considerable el consumo de energía eléctrica por la operación del sistema. Si la eficiencia de los ventiladores no es elevada, el consumo de energía primaria total, considerada como la suma del consumo por calefacción y el consumo por operación de los elementos mecánicos, puede ser superior en el caso de este tipo de sistemas. Es posible determinar el valor límite superior del factor SFP que permita garantizar la viabilidad energética de los sistemas ventilación de doble flujo con recuperación de calor frente a los considerados. En la Imagen 9 se definen estos valores límite, los puntos de corte representan los valores del factor SFP a partir de los cuales el sistema de doble flujo con recuperación de calor deja de ser energéticamente ventajoso. Para ello, se ha sumado al valor fijo de consumo de energía primaria de calefacción en la vivienda con el consumo de energía primaria por la operación de sistema para distintos valores del factor SFP.
Resultado final combinado
Tras estudiar cada mejora de forma secuencial se han revisado los valores de forma global, realizando ajustes finales hasta alcanzar los valores mostrados en la Imagen 10 donde se recoge la evolución de la demanda energética del edificio tipo en la zona climática D1 con las sucesivas mejoras propuestas. El edificio tipo optimizado presenta una envolvente media de 0’3 W/m2K, puentes térmicos minimizados y unas carpinterías de 1’6 W/m2K. Respecto al sistema de ventilación adecuado, se observa que hay dos propuestas que alcanzan el objetivo establecido de 15kWh/m2a para EECN.
Discusión y Conclusiones
Se ha estudiado la envolvente más eficiente para la tipología seleccionada de vivienda colectiva, concluyendo que para alcanzar para la zona climática D1 el espesor óptimo de aislamiento térmico está en torno a 12cm y en C1 en torno a 10cm. Dicho punto óptimo supone una reducción de la demanda a través de la envolvente en torno al 20% y a partir de dicho espesor sería más adecuado estudiar otras posibles actuaciones en el resto de componentes del edificio.
Las carpinterías son el punto más débil de la envolvente y no presentan un punto de agotamiento dentro de los valores de transmitancia térmica global de la ventana, por lo que conviene invertir más recursos en este componente y estudiar su instalación como PT.
La optimización combinada de carpinterías y fachada opaca genera reducciones en torno al 70% en ambas zonas climáticas, alcanzando una demanda por debajo de 6 kWh/m2a.
Los puentes térmicos generan importantes pérdidas y suponen un aumento del 30% de las pérdidas por la envolvente de todo el edificio. Se ha demostrado que para minimizar su incidencia no basta con la continuidad del aislamiento exterior, sino que debe hacerse un estudio pormenorizado de su incidencia para definir soluciones a medida.
La ventilación de los edificios supone más de la mitad del consumo energético de los edificios de la muestra y presentan un coste de operación importante. Se ha analizado el potencial de ahorro energético en la ventilación, reduciendo en un 80-90% la demanda energética asociada. Como sistema de ventilación óptimo, tanto los sistemas de detección por CO2 como los de flujo doble con recuperación de calor alcanzan el potencial ahorro. Aunque se ha comprobado la importancia del SFP de los equipos instalados, recordando que la eficiencia final debe tener en cuenta los consumos del propio sistema de distribución y la estanqueidad de la envolvente.
Conviene tener presente que el consumo de energía final de cada edificio dependerá en gran medida de la eficiencia y la correcta gestión energética de los sistemas de generación, acumulación y distribución. Se señala por lo tanto que para alcanzar EECN es necesario incluir los demás sistemas activos en el proceso de optimización y se abren futuras líneas de investigación que analicen su incidencia.
En resumen, los medios actuales permiten reducir la demanda a niveles considerados EECN, pero se requiere un diseño equilibrado de todas las mejoras, dentro de un proceso que incluya el diseño, la ejecución y el uso. Es importante distribuir los recursos de forma equitativa en la parte pasiva (envolvente) y los sistemas activos (calefacción, ACS, ventilación) en función de la climatología y del uso del edificio.
Reconocimientos
Este estudio se enmarca dentro del convenio de colaboración entre el Gobierno Vasco y la Universidad del País Vasco, que desarrolla el Área Térmica del Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco, publicado según Resolución 10/2005, de 1 de agosto, del Director de la Secretaría del Gobierno y de Relaciones con el Parlamento.
Agradecimientos a VIVIENDA Y SUELO DE EUSKADI, S.A., por la amplia colaboración de los proyectistas y técnicos implicados en los edificios analizados.
Ha sido posible gracias al apoyo económico como becario del Programa de Formación de Personal Investigador no doctor del Departamento de Educación, Política Lingüística y Cultura del Gobierno Vasco.
Referencias Bibliográficas
- Opt Veld P., 2000, Performances of a new generation high efficiency heat recovery units for domestic ventilation, Proceedings 21th AIVC Annual Conference: Innovations in Ventilation Technology.
- ANSYS, FLUENT v6 User’s guide, 2006.
- IDAE, Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2009, CALENER VYP: Viviendas y edificios terciarios pequeños y medianos, manual de usuario.
- Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2002, relativa a la eficiencia energética de los edificios.
- RD 314/2006, de 17 de marzo, Código Técnico de la Edificación.
- RD 47/2007, de 19 de enero, Procedimiento básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción.
- Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios.
- Orden FOM/1635/2013, de 10 de septiembre, Documento Básico DB-HE Ahorro de Energía.
- RD 235/2013, de 5 de abril, Procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios.