Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Juan Carlos Sánchez González, Doctor Arquitecto, Universidad Politécnica de Madrid/ETSAM
- Benito Lauret Aguirregabiria, Profesor Titular, Universidad Politécnica de Madrid/ETSAM
- Graciela Ovando Vacarezza, Doctora Arquitecta, Universidad Politécnica de Madrid/ETSAM
- Belén Pérez-Pujazón Millán, Doctor Arquitecto, Universidad Politécnica de Madrid/ETSAM
- Luis Claros Marfil, Doctor Ingeniero Químico, Universidad Politécnica de Madrid/ETSAM
Resumen
En función del contexto geográfico y las tecnologías de generación energética por medios renovables (incorporadas a la trama arquitectónica del edificio y en sus elementos constructivos), la construcción industrializada y ligera, se presenta como una alternativa favorable para alcanzar altas prestaciones energéticas, hasta superar los niveles de un Edificio de Energía Casi Nula (EECN). En esta comunicación se presentan los resultados de una investigación sobre un prototipo existente que demuestran que es posible alcanzar estas altas cotas de eficiencia. Para esto, se desarrolla un método empírico, práctico, simplificado y fiable, basado en estudios geográficos, ensayos, caracterizaciones y simulaciones energéticas con programas informáticos de referencia.
Palabras clave
EECN, Construcción industrial ligera, Caracterizaciones/Simulaciones energéticas, Mapas de Köppen
Introducción
La construcción industrializada sigue siendo, actualmente, uno de los sistemas más avanzados en cuanto a procesos constructivos se refiere. Aun contando con este sistema, en muchos aspectos, la arquitectura, y más específicamente las técnicas y sistemas utilizados están más próximas a una manera artesanal de hacer las cosas que a procesos industrializados cerrados. Los términos eficiencia energética y EECN, suelen estar asociados a la idea de cerramientos masivos con gran inercia térmica, propios de estándares de diseño como el Passivhaus, pero los avances que se van alcanzando en materia de cerramientos ligeros industrializados y en tecnologías para el aprovechamiento de la energía y sistemas de generación renovables, colocan a la construcción industrial ligera como una opción válida dentro del contexto y planteamientos de las Directivas 2010/31/UE y 2018/844. Éstas comprometen a todos los estados miembros de la Unión Europea (UE) a establecer una hoja de ruta con medidas e indicadores de progreso mensurables, que permitan conseguir edificios energéticamente eficientes antes de los plazos establecidos con hitos indicativos para 2030, 2040 y 2050.
Objetivos de la investigación y planteamiento de la metodología de trabajo
Con esta investigación se ha buscado demostrar que una construcción industrializada y ligera, apoyada en sistemas de generación de energía renovable, puede alcanzar elevados niveles de optimización energética, hasta sobrepasar los valores de un EECN, y en función de un contexto climático determinado. Para esto la metodología de trabajo utilizada se ha apoyado en tres vertientes complementarias; una primera vertiente de análisis documental, que ha incluido el estudio del estado de la técnica (análisis de ejemplos como el Solar Decathlon y de resultados de otros trabajos de investigación y artículos científicos del Journal Citation Report).
La segunda vertiente metodológica ha sido empírica, basada en la realización de ensayos y mediciones in situ, sobre un prototipo a escala natural, del que se han obtenido datos de temperatura, humedades y rendimientos energéticos, en distintas estaciones del año. La tercera vertiente metodológica, ha consistido en la realización de caracterizaciones/simulaciones energéticas con el programa CE3X (CE3X. Programa informático de referencia, del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, para las certificaciones energéticas de edificios), sobre el prototipo de estudio y a partir de los resultados obtenidos en los ensayos y mediciones, situando al referido prototipo en distintos escenarios climáticos teóricos, bien diferenciados por los mapas de Köppen- Geiger, y que han permitido un análisis del comportamiento y rendimientos en términos energéticos del referido modelo a escala 1:1.
El prototipo o modelo de estudio
El prototipo es un pequeño edificio exento de 38.9 m2 (9,72 x 4,00), que funciona como aula para el Taller de Construcción Experimental de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (ETSAM), con altura de suelo a techo interior de 2.50 m, para un volumen de 97,20 m3. Sus cerramientos verticales opacos son de paneles sándwich de chapa de aluminio pre-lacado blanco y alma de poliuretano e= 4 cm y transmitancia térmica (U) de 0,54 W/m2K.
Las superficies acristaladas (vidrio sencillo con U= 5,70 W/m2K y carpinterías de aluminio sin rotura de puente térmico) suman unos 29 m2. Las fachadas norte y oeste llevan una protección de malla micro-perforada tipo Soltis FT 381 de color gris, con cámara de aire de 25 cm. El suelo, de tablero de madera aglomerada de e= 2 cm. y acabado en linóleo, tiene una U= 2,33 W/m2K. La cubierta compuesta por una chapa galvanizada mini-onda, sobre una cámara ventilada de 5 cm. cubre un tablero similar al del suelo y aislamiento de lana mineral U= 0,48 W/m2K.
Desarrollo del trabajo
Para demostrar la hipótesis de la potencial optimización energética de una construcción industrializada ligera, y luego de realizar un análisis documental exhaustivo del estado de la técnica, se ha tomado como demostrador este prototipo, de características constructivas modestas y muy bajas prestaciones, propias de una caseta de obra, que por su naturaleza supone un claro ejemplo de ineficiencia en términos energéticos.
Metodología experimental desarrollada
Para evaluar sus condiciones actuales y rendimientos, se han medido, en períodos determinados de tiempo de aproximadamente 12 horas nocturnas (registrando datos cada 10 minutos), las temperaturas y humedades, así como los consumos de calefacción durante el funcionamiento de los sistemas de climatización antes descritos. Estos períodos de medición han abarcado horarios nocturnos y diurnos de manera que los resultados obtenidos han podido ser estudiados desde el punto de vista de uso de vivienda.
Para estos ensayos, se han colocado unos medidores de temperaturas y humedades interiores y exteriores (Data Loggers), modelo Hobbo Anset H08-002-02 y Hobbo Anset Pro Series H08-032-08 , que han servido para comparar las condiciones tanto fuera como dentro del taller, en primavera como en invierno. Para registrar las mediciones interiores se han colocado los medidores a una altura media de 75 cm desde el nivel de suelo y en otros casos a una distancia de 20 cm del interior del techo. También se han colocado junto (adheridos) a los cerramientos opacos y acristalados para comprobar su comportamiento. Las mediciones exteriores se han registrado mediante una sonda colocada desde el dispositivo de medición hasta el exterior.
Los equipos de climatización considerados para los ensayos del modelo han sido dos radiadores eléctricos con potencia media de 675 W cada uno. Para conocer el consumo de estos equipos, se ha colocado un medidor de consumo Brennenstuhl BN-PM231 (Fig. 5). El consumo de estos elementos equivale aproximadamente al rendimiento de los mismos, es decir, 1 kW de consumo por 1 kW de calefacción.
Experimentalmente se comprueban las posibles situaciones y/o soluciones de diseño ensayadas. Luego estos datos, han servido para calibrar las simulaciones realizadas y confirmar como válidos los resultados obtenidos en estas últimas. Se ha podido comprobar también que la piel del edificio determina, como factor decisivo, los niveles de confort de partida del prototipo. También se ha comprobado que medidas pasivas, como la colocación de estores benefician el balance térmico del interior del prototipo. Estos estores (de material sintético, opacos y de color blanco), dispuestos para su uso diurno, para evitar el deslumbramiento interior, en horario nocturno, se convierten en medidas de protección pasivas, impidiendo que la energía calorífica, producidas por los radiadores eléctricos, se pierda por los acristalamientos.
Para cuantificar esto se realizaron mediciones en dos días consecutivos en horario nocturno, es decir desde las 21:00 hasta las 9:00. Los días seleccionados fueron en condiciones de primavera; el primer ciclo de ensayo fue realizado con protecciones interiores en 45% de los acristalamientos el segundo sin desplegar dichas protecciones. Con esto se ha podido comprobar que entre el ciclo con protección interior ligera (estores) y el ciclo sin protección, se produjo una diferencia de temperatura con respecto al exterior de hasta 1,24 º.
Esto quiere decir que en el período de medición con protección al 45% se registró una diferencia de temperaturas (salto térmico) del orden de 7,74 ºC, con los calentadores eléctricos activados con un consumo combinado de unos 1.340 Wh aproximadamente. En el período de medición sin protección la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior fue de 6,50 ºC, utilizando el mismo sistema de calefacción.
En la figura anterior se pueden ver las barras comparativas de temperaturas interior/ exterior “Con” estores en las barras de la izquierda (T.Der_Con = a temperatura interior con estores, y T. Ext_Con= a temperatura exterior) y a la derecha la misma comparativa “Sin” estores (T. Der_Sin = a temperatura interior son estores y T.Ext_Sin = temperatura exterior).
Metodología de simulaciones y caracterizaciones informáticas
Los objetivos específicos de estas simulaciones informáticas han sido obtener resultados de datos de consumos, demandas y generación de energía, recreando, previamente, el estado actual del prototipo en función de los datos obtenidos en la fase experimental, y luego planteando unos escenarios de mejoras con nuevas prestaciones energéticas, para determinar su nivel de eficiencia de cara al NZEB y según la ubicación del modelo de simulación, de acuerdo a los estudios climáticos y mapas de Köppen – Geiger. Estos mapas permiten determinar todas las zonas climáticas en las que el prototipo presentaría los mismos rendimientos o un desempeño energético similar.
De esta manera, si con las medidas de mejora (incorporación de renovables en su arquitectura) el mismo puede alcanzar los niveles de EECN en Madrid, también lo podría conseguir en lugares con características climáticas parecidas. Para la realización de las simulaciones/caracterizaciones se ha utilizado el programa de referencia CE3X para la calificación energética de los edificios. Dado que el CE3X no permite realizar cálculos con edificios inferiores a 50 m2, para la comparación y validación de los resultados obtenido en este trabajo, se ha utilizado un factor de corrección que ha permitido confirmar los datos obtenidos.
Este valor numérico ha sido 1,33, en el caso de la superficie, y que aplicado a los resultados obtenidos por el programa, ha permitido validarlos con los datos obtenidos en otras simulaciones previas, con los programas HULC y IDA – ICE, para investigaciones anteriores.
También se han aplicado otros factores de conversión para las demás variables (dimensionales y volumétricas) del prototipo; tal como se muestra en la siguiente tabla:
En síntesis, se han realizado los cálculos de demandas y consumos del prototipo (con el programa CE3X), aumentado en sus dimensiones proporcionalmente, pero sin alterar sus características técnico/constructivas, ni su uso. Al no realizar un cambio de uso en esta fase de comprobación de las prestaciones en su estado actual, se han podido validar los datos y corroborar que, una vez aplicados los factores de corrección, no se ha producido ninguna distorsión en los resultados, comparando los mismos con otras simulaciones y sus resultados, obtenidos previamente por otros investigadores en trabajos anteriores. Por otro lado y de manera paralela se han equiparado las calificaciones climáticas definidas en el Código Técnico de Edificación (CTE) con las calificaciones propuestas en los mapas y estudios de Köppen – Geiger tal como se muestra en la tabla siguiente:
Una vez validados los datos en el estado original de uso del prototipo, se ha pasado a caracterizar el mismo con uso de vivienda, pero conservando sus características constructivas y prestaciones energéticas de origen, así como situación en Madrid. Estos datos, obtenidos para esta localidad, se han extrapolado, por medio de los mapas de Köppen – Geiger, a otras zonas geográficas/climáticas, quedando reflejado en el mapa de la figura 7, los lugares con características similares, donde el modelo o prototipo tendría un comportamiento análogo en términos de prestaciones energéticas y a modo de números gordos.
Luego se le han implementado medidas de mejoras al modelo, tal como se establecen en el programa CE3X, extrapolando igualmente los resultados a las otras zonas geográficas/climáticas. Esto, realizado para las siete zonas definidas y equiparadas en la tabla II (Santa Cruz de Tenerife, Almería, Sevilla, Madrid, Ourense, Santander y Burgos), ha permitido determinar que, a nivel de orden de magnitud y como primera aproximación a números más finos, una construcción industrial y ligera, optimizada a nivel de implementación de renovables en su arquitectura, puede ser EECN e incluso energy plus.
A modo de ejemplo, a continuación, en la figura 8, y con los datos de consumo energético, como punto de partida, sin proyectar ninguna medida de mejora, se presentan los datos obtenidos en la simulación energética para el prototipo objeto de estudio y con uso de vivienda de 52m2 (con los factores de corrección de escala ya aplicados). En los mismos se obtienen unas calificaciones muy lejanas de la A o en nivel de un EECN. En la figura 9 se muestra el mapa de Köppen – Geiger en gris por no cumplir, para ninguna zona geográfica, estos niveles de EECN.
Igual que en el caso anterior, partiendo de los datos de consumo y proyectada una instalación fotovoltaica al 100% sobre la superficie de la cubierta (52 m2) del modelo o prototipo, de acuerdo a las zonas climática especificadas según el CTE y extrapolados al mapa de Köppen – Geiger, se realizan los cálculos con el CE3X y se obtiene la nueva calificación energética de cara al EECN. A continuación, los valores obtenidos.
Conclusiones
Se ha podido demostrar experimentalmente y con la herramienta informática de simulación CE3X, que la construcción industrializada y ligera puede ser energéticamente eficiente, llegando a cumplir los estándares de un EECN y superiores, con envolventes de U= 0,54 w/m2k, para el uso de vivienda, y con la implementación de renovables en su arquitectura, para distintas localidades españolas, equiparables a las zonas definidas por el mapa y la clasificación climática Köppen – Geiger. También se ha podido establecer un método de simplificación del cálculo, con la referida herramienta y los mapas climáticos, como aporte para el cálculo inicial en proyectos de eficiencia energética.