Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autor
- Roberto Higuero Artigas, Profesor Titular de Edificación y Eficiencia Energética, SEAS
Resumen
El cambio climático plantea un nuevo escenario en la construcción de EECN. Las cargas de refrigeración y el confort en verano son cada vez más importantes dentro de la planificación de EECN. Desde el análisis del clima, y el comportamiento dinámico de una vivienda EECN, daremos algunas pistas para superar el próximo reto de la construcción EECN, es decir, mantener la eficiencia energética estival durante todo el ciclo de vida del edificio.
Introducción
Dentro del estudio dinámico de los edificios EECN, el presente artículo pretende estudiar el comportamiento real del edificio ante el cambio climático global que está generando anomalías térmicas importantes en los climas de interior, en concreto, nos centraremos en climas D3 (según CTE DB-HE). Contextualmente, el estudio de los datos climáticos existentes (aproximadamente de los últimos 35 años, en función del emplazamiento) han permitido generar ficheros climáticos desde los cuáles trabajan los diseñadores y técnicos. Simulan el comportamiento del edificio, para establecer el nivel de eficiencia energética, que teóricamente ha de mantenerse constante durante el ciclo de vida del edificio.
En este artículo se pretende estudiar la relación real entre los ficheros climáticos de diseño, con los datos climáticos reales, y correlacionar estos datos con la monitorización real del clima D3 en los años 2016-2017 y el comportamiento real de un edificio EECN. El objetivo se centra en dos aspectos principales. En primer lugar, se persigue validar anomalías climáticas estivales mediante el estudio de los ficheros climáticos de referencia, datos históricos de los últimos 17 años y datos reales de monitorización climática del emplazamiento. Por otro lado, se busca determinar si los criterios de diseño de edificios EECN están preparados para amortiguar las anomalías térmicas a largo plazo con el objetivo final de garantizar un óptimo comportamiento estival de la eficiencia energética a largo plazo.
El proyecto
Proyecto de construcción de vivienda unifamiliar situada en Alcañiz (Teruel) de consumo de energía casi nulo EECN, mediante sistema de paneles de encofrado perdido aislante de viruta de madera reciclada aglomerada con cemento. Superficie construida: 199,31 m2. Superficie útil a climatizar: 162,30 m2.
Clima del emplazamiento
Tipo D3 (CTE2013). Clima Köppen BSk – Estepario seco. Las precipitaciones están entre un 50% y un 100% de la temperatura media anual multiplicada por veinticuatro. Bajo estas condiciones la vegetación es escasa. Este clima es conocido en algunas regiones como mediterráneo seco pues es, en muchas ocasiones, un clima de transición entre el Csa (mediterráneo) y el BW (desértico).
Estrategias de diseño pasivo del edificio
Orientación sur. Captación solar directa. Alta inercia térmica (12 cm de hormigón armado). Alto nivel de aislamiento de la envolvente (Uglobal<0,25 W/m2k). Tratamiento de puentes térmicos. Carpintería de mixta (Madera-Aluminio) con vidrios triples de baja emisividad. Sistema de ventilación mecánica controlada con recuperador de calor. Nivel de estanqueidad al aire de 1 ren/h testado mediante test de estanqueidad Blowerdoor. Protección solar pasiva en huecos sur y oeste. Ventilación cruzada nocturna.
Nivel global de aislamiento de la envolvente: Transmitancia térmica media de los huecos: 1,28 W/(m2K). Transmitancia global de la envolvente: 0,282 W/(m2K). Factor de pérdidas total 185,2 W/K. La ventilación aporta 22,9 W/K (un 12% del total). Los puentes térmicos suponen un 3% de las pérdidas de la envolvente.
Sistema de ventilación mecánica controlada (VMC): Sistema de Ventilación Controlada (VMC) de doble flujo con recuperador de calor de la marca SIBER modelo EXCELENT 400+ homologado para vivienda pasivo. Caudal máximo 300 m3/h. Potencia máxima absorbida 98 W. Filtros tipo G3.
Sistema de climatización: Sistema de climatización para cubrir demanda pico de calor y frío y producción de ACS. Equipo generador mediante bomba de calor aerotérmica marca DE DIETRICH modelo ALEZIO AWHP 8MR-3. Depósito acumulación de ACS de 200 L. Depósito de inercia frío/calor de 100 L. Regulación mediante termostato por planta y electroválvula automática.
Materiales y método
Para monitorización se ha instalado un logger de Kintech Engeenering modelo EOL Zenith, controlando las siguientes sondas, con lecturas cada diezminutales:
- Variables climatológicas: temperatura, humedad relativa, velocidad de viento y dirección de viento
- Variables térmicas internas: 4 zonas de temperatura (una sonda por zona). Zona sur-oeste planta baja, Zona sur P1ª, dormitorio este PB, dormitorio NE P1ª.
- Variables técnicas: Monitorización de temperaturas y consumo energético del recuperador de calor, consumo energético de producción de ACS, lectura de consumos energético de los sistemas activos (BC aerotérmica con depósito de inercia).
Para el estudio climático se han utilizado datos climáticos diezminutales de los años 2016 y 2017, datos horarios de los últimos cinco años y datos medios mensuales de la serie 2000-2016 del emplazamiento. Igualmente se ha trabajado con los ficheros climáticos oficiales del CTE según documento de referencia (en adelante FCR) y el fichero climático utilizado en el software PHPP de certificación de edificios Passivhaus (en adelante FCPH).
Resultados
Relativos al clima
En primera instancia, se ha procedido al estudio de los datos climáticos oficiales del emplazamiento, en el periodo comprendido entre los años 2000 y 2016 (en adelante 00-17), con el objetivo de estudiar anomalías climáticas reseñables que justificasen el estudio detallado comparativo de los datos climáticos reales, con los ficheros climáticos de referencia usados en los diferentes softwares de simulación energética de edificios. A continuación, podemos observar los datos relativos a las temperaturas invernales y estivales del periodo estudiado.
Se observa una anomalía térmica importante en la evolución de las temperaturas máximas registradas en verano (+1,99ºC), así como de las mínimas registradas en invierno (+2,09ºC). Las anomalías quedan más armonizadas en las medias, con +0,78ºC en verano y +0,66ºC en invierno. Igualmente se han estudiado, en el mismo periodo, frecuencias de precipitaciones, días de lluvia, días con niebla y días de tormenta, obteniendo los siguientes resultados (Ver Discusiones y Conclusiones):
En la segunda fase de esta investigación se han tratado los datos diezminutales, fruto del monitoreo de las variables climáticas del emplazamiento (en adelante MON). Se ha procedido a la comparativa de estos datos con las siguientes series: MON – Fichero climático real monitoreado; FCR – Fichero climático de referencia; FCPH – Fichero climático Passivhaus Institut; 00-17 – Fichero climático años 2000-2017. Los resultados de anomalías térmicas entre los ficheros se muestran en la Figura 5 (Ver Discusiones y Conclusiones). Cabe resaltar que la serie climática MON al tratarse de un periodo de tiempo corto, está sujetas a anomalías climáticas de corto plazo. Como podemos ver en la gráfica 6, el mes de junio ha presentado una gran anomalía térmica, especialmente si se compara con el fichero FCR (+3,66ºC), +0,85ºC con 00-17.
Comportamiento dinámico del edificio
En el segundo bloque de esta investigación, se ha estudiado el comportamiento dinámico del edificio. Con los datos extraídos de la monitorización (datos climáticos correspondientes al fichero MON), se ha estudiado la respuesta del edificio ante anomalías climáticas estivales (han existido anomalías invernales, pero no se representan en el estudio, por ser de menor entidad y, además, contribuir a una mejor respuesta térmica del edificio). A continuación, se establecen los perfiles de temperatura para los meses de junio, julio y agosto de 2017:
La temperatura exterior para el verano ha seguido perfiles similares para los tres meses de verano, siendo lo más reseñable el mes de junio, que ha tenido la misma temperatura media que agosto 24,7ºC, mientras que en julio se han registrado 25,35ºC.
A continuación, se muestran los perfiles de temperatura interior de la vivienda para los mismos meses que la figura anterior:
En los meses de junio y julio, se han mantenido las condiciones de confort interior en la vivienda mediante la aplicación de la ventilación VMC, y el control de la inercia mediante la ventilación cruzada. Igualmente se ha hecho un uso correcto uso de las protecciones solares, especialmente en los huecos oeste. Por ello el porcentaje de tiempo fuera de confort (>26ºC) ha sido del 7,3% en junio y del 2,6% en julio.
El 30 de julio la vivienda queda vacía por periodo vacacional. Se deja encendido únicamente la VMC con recuperación de calor y by-pass automático en verano. Encontramos un calentamiento progresivo de la vivienda, en los posteriores 3 días al inicio de las vacaciones, pasando de los 24,5ºC interiores a una temperatura media de 27,6ºC que se mantendrá durante todo el periodo de ausencia. Cabe resaltar que la temperatura máxima registrada en este periodo ha sido de 28,5ºC.
Los consumos de energía monitorizados se han adaptado a los perfiles de temperatura y uso de la vivienda durante el verano, siendo preciso el uso de un sistema activo de refrigeración para mantener la temperatura de confort interior del edificio en los periodos de ocupación.
La demanda de energía refrigeración del edificio en modo refrigeración ha sido de 11,77 kWh/m2a, que puede considerarse dentro de los valores de demanda en estándares de construcción de EECN en países de nuestro entorno. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el periodo vacacional hubiese supuesto añadir en torno a 5 kWh/m2a, son los que se superaría dichos límites (>17 kWh/m2a).
Discusiones y conclusiones
Conclusiones al estudio de ficheros climáticos
- Se constata que los datos climáticos reales ofrecen un escenario a medio plazo, de calentamiento tanto estival como invernal, con temperaturas máximas y mínimas más extremas, especialmente en verano, donde las olas de calor son más intensas y más prolongadas en el tiempo.
- En otros fenómenos climáticos, se observa principalmente un descenso de días de heladas, un descenso moderado en los días de nieblas, y un aumento importante de los días de tormenta (en relación con el aumento de temperaturas máximas registradas).
- Los últimos años son más húmedos de media, pero con periodos prolongados de sequía seguidos de estaciones cortas de alta pluviometría.
- El fichero climático MON ha resultado ser más cálido que el resto de ficheros. Se trata de una serie anual por lo que está sujeta a anomalías climáticas de corta duración (p.e mes de junio).
- El fichero climático de la serie 00-17, resulta 1,45ºC más cálido que los FCR y FCPH, con una anomalía de 1,17ºC en invierno y 1,90ºC en verano. El FCPH resulta el más armonizado con la serie 00-17 con una anomalía de -0,67ºC y de 0,54ºC para el invierno y de -0,87ºC para el verano.
- Los FCR resultan muy conservadores en comparación con el resto de ficheros especialmente en los meses estivales.
- El cambio climático se muestra patente en este estudio, lo que nos permite establecer un escenario a medio plazo, de condiciones climática cada vez más duras para los meses de verano, con valores medios muy por encima de los reflejados actualmente en los ficheros climáticos de simulación.
Conclusiones a la respuesta dinámica del edificio
- En un escenario a largo plazo, y debido al incremento de la temperatura, las olas de calor y los elevados valores medios de las mínimas, será preciso revisar los ficheros climáticos de referencia para ayudar a los proyectistas en fase de diseño, a calibrar de forma correcta la incidencia de la refrigeración en los edificios.
- Queda validado que un clima tipo D3 o cálido templado, precisa de un sistema activo de refrigeración para mantener las condiciones de confort interior.
- Las estrategias pasivas para prevenir el sobrecalentamiento han de aumentar su importancia dentro del programa de toma de decisiones en fase de proyecto. El control solar en los acristalamientos, de forma conjunta de la protección solar, así como desarrollo de sistemas eficientes de ventilación y control de humedad interior, serán la piedra angular del diseño de edificios EECN en los próximos años.
Reconocimientos
A la empresa KINTECH ENGEREERING y en particular a su gerente Íñigo Vázquez, que nos ha dado acceso a los materiales y software necesarios para la monitorización del edificio.
Referencias
- Directiva 2010/31/UE del 19 de mayo de 2010 relativa la eficiencia energética de los edificios. CTE DB-HE Ahorro de energía. Documentos formativos estándar Passivehaus. Conferencias y manual del software PHPP 2007. Artículo “Mucho cuidado con los datos de referencia del nuevo HE” por German Campos.