Repercusión energética de las infiltraciones de aire a través de la envolvente de los edificios residenciales en España

Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula

Autores:

• Irene Poza Casado, Investigadora en formación, GIR Arquitectura & Energía, Universidad de Valladolid
• Alberto Meiss, Profesor Contratado Doctor, GIR Arquitectura & Energía, Universidad de Valladolid
• Miguel Ángel Padilla Marcos, Profesor Ayudante Doctor, GIR Arquitectura & Energía, Universidad de Valladolid
• Jesús Feijó Muñoz, Catedrático de Universidad, GIR Arquitectura & Energía, Universidad de Valladolid

Resumen:

Atendiendo a los argumentos de la Directiva Europea 2018/844, se hace indispensable la renovación del parque inmobiliario y su transformación en edificios de consumo de energía casi nulo. En este contexto, uno de los factores que supone mayor impacto es la presencia de vías de aire no controladas a través de la envolvente, ampliamente estudiado en EE. UU., Canadá y la mayoría de los países europeos. Sin embargo, hay una falta de conocimiento a este respecto en los países mediterráneos. En España la normativa actual no contempla el aporte suplementario por infiltraciones, causando problemas de sobre-ventilación y mayor consumo de energía. El objetivo de este trabajo es la estimación de la repercusión energética de las infiltraciones en el parque residencial existente. Se ha llevado a cabo un amplio estudio de campo de caracterización de la envolvente, analizando más de 400 casos representativos en toda la geografía española mediante ensayos de presurización en el marco del proyecto nacional I+D+i INFILES.

Palabras clave:

Infiltraciones, Repercusión Energética, Estanqueidad, Edificios Residenciales, Blower Door

Introducción

La Unión Europea se ha comprometido a seguir reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero, estableciendo un sistema energético sostenible, competitivo y descarbonizado de aquí a 2050. Se calcula que el parque inmobiliario es responsable de aproximadamente el 36% de todas las emisiones de CO₂ y que casi el 50% del consumo de energía final de la Unión se destina a calefacción y refrigeración, de la cual el 80% de consume en edificios (Comisión Europea, 2018). Por ello, parece indispensable establecer estrategias que apoyen la renovación de los parques nacionales de edificios, facilitando su transformación en edificios de consumo de energía casi nulo.

En este contexto, uno de los factores que supone mayor impacto es la presencia de vías de aire no controladas a través de la envolvente o infiltración. La constante mejora en la transmitancia de los elementos constructivos ha supuesto que la entrada de aire exterior haya tomado progresivamente mayor relevancia en el total de energía consumida por el sector residencial. Pero el movimiento incontrolado del aire a través de la envolvente de los edificios no solo implica un mayor consumo energético, sino que también genera una serie de problemas que afectan a la salud de sus ocupantes: falta de confort térmico, entrada de contaminantes y olores, ruido, funcionamiento inadecuado de los sistemas de ventilación, menor protección al fuego, etc.

Son numerosos los estudios que se han llevado a cabo en el norte de Europa, EE. UU. y Canadá desde hace décadas. Sin embargo, en los países mediterráneos, y en el caso de España en particular, la benevolencia climática y la tradición de ventilar naturalmente han llevado a que muy pocos estudios se hayan centrado en esta cuestión (Fernández-Agüera et. al, 2015; Jiménez Tiberio y Branchi, 2013; Montoya et. al, 2010). Tradicionalmente, la infiltración de aire ha contribuido a la ventilación natural, complementando la falta de sistemas de ventilación específicos.

La normativa española, el Código Técnico de la Edificación (Ministerio de Fomento del Gobierno de España, 2017) no contempla una exigencia mínima de estanqueidad global de la envolvente en el caso de viviendas de nueva construcción. En cuanto a la ventilación, el documento requiere la implementación de sistemas de ventilación controlada para garantizar una calidad de aire interior adecuada. Aunque la última versión del documento permite considerar el área equivalente de infiltración como parte del área de abertura de ventilación, en la práctica estos sistemas se dimensionan suponiendo envolventes idealmente estancas. Por lo tanto, es esencial insistir en la necesidad de envolventes eficientes para evitar el sobredimensionamiento de los sistemas de ventilación y el consumo excesivo de energía.

Dada la relevancia de esta cuestión, el proyecto INFILES, en el que se engloba este estudio, tiene como objetivo la caracterización de la envolvente de los edificios existentes en España, estableciendo el impacto energético relacionado con la falta de hermeticidad al aire. A través de un extenso estudio de campo en toda la geografía española, se han analizado viviendas unifamiliares y plurifamiliares de diferentes tipologías y años de construcción, estableciendo de este modo una base de datos que reúne los resultados de infiltración obtenidos.

Metodología

Muestra

Se ha ensayado un total de 401 viviendas construidas entre 1880 y 2015 en todo el país, atendiendo a un muestreo no probabilístico por cuotas para garantizar una muestra representativa del parque residencial español. Para el muestreo se han considerado diversos factores relevantes que tienen un impacto en la hermeticidad como variables de control, a saber, zona climática, año de construcción y tipología (Tabla I).

Evaluación de la permeabilidad y repercusión energética

La evaluación de la permeabilidad de la envolvente se ha realizado de acuerdo al método B (ensayo de la envolvente del edificio) descrito en la norma UNE-EN 13829 (AENOR, 2002), para la determinación de la estanqueidad al aire en edificios por el método de presurización por medio de ventilador, comúnmente conocido como Blower Door Test.

Para la consecución de los ensayos se ha desarrollado un protocolo común, en el cual se especifica la correcta ejecución de los procedimientos experimentales y captura de datos, con el fin de que todos los casos fueran analizados de un modo sistemático y uniforme. Un total de nueve universidades con 11 equipos han participado en la caracterización y ensayo de los casos requeridos en campañas llevadas a cabo a lo largo de 2016 y 2017.

Se han llevado a cabo conjuntos de mediciones tanto a presurización como a despresurización en el volumen interno del espacio deliberadamente acondicionado de las viviendas. En el caso de edificios de viviendas plurifamiliares, se ha medido la permeabilidad al aire de cada vivienda de forma individual. Durante el ensayo todas las aberturas intencionadas de la envolvente se han cerrado, permaneciendo mientras las puertas de interconexión abiertas. Mediante un test automatizado, se han tomado un total de 10 puntos de dato, con incrementos de 6 Pa en el rango 11-65Pa (Figura 1). La curva de infiltración se calcula del siguiente modo (Ecuación 1):

Donde:

V_env es la relación del flujo del aire a través de la envolvente del edificio, o caudal [m³/h]

C_env es el coeficiente del flujo de aire [m³/(h∙Paⁿ)]

∆p es el diferencial de presión inducida [Pa]

n es el exponente del flujo del aire (0,5 – 1 para un flujo turbulento o laminar) [-]

A partir de la ley de potencia indicada, es posible obtener otros parámetros de interés, tomando como referencia un gradiente de presión de 50 Pa:

• V₅₀: relación del aire filtrado, con una presión de 50 Pa [m³/h], obtenida a partir de C_env(50)ⁿ
• n₅₀: relación del cambio de aire con una presión de 50 Pa [h^-1], obtenida a partir de V₅₀/V, y siendo V el volumen interno de la vivienda [m³].
• q₅₀: permeabilidad al aire con una presión de 50 Pa [m³/(h∙m²)], obtenida a partir de V₅₀/A_F, siendo A_F la superficie de la vivienda [m²].

Si bien estos parámetros permiten comparar los resultados entre viviendas, el gradiente de presión referencial a 50 Pa no refleja la situación real de filtración a la que se someten las viviendas. La estimación de la filtración real es compleja, dado que las condiciones de viento y temperatura a lo largo del año son difíciles de prever y los ensayos habituales tampoco dan información precisa relacionada con la distribución de los focos de infiltración.

Existen diferentes modelos de cálculo con grados de complejidad y fiabilidad variables, desde los cálculos más complejos realizados con programas de simulación numérica, que tienen en cuenta las condiciones climáticas a nivel horario, hasta los modelos más simplificados que asumen una distribución uniforme de los focos y filtraciones medias constantes a lo largo del tiempo. En este caso, dado que el estudio supone una primera aproximación al impacto energético de la filtración de aire en España, se ha optado por desarrollar un modelo simplificado.

Un modelo sencillo, de origen incierto (Sherman, 1987) pero muy extendido en la comunidad científica es la estimación de Persily-Kronvall (Ecuación 2), que asume una relación lineal entre la permeabilidad a 50 Pa y la infiltración media anual.

Donde:

q_inf es el caudal medio de infiltración a lo largo del año [m³/(h∙m²)]

q₅₀ es la permeabilidad al aire con una presión de 50 Pa [m³/(h∙m²)]

Sherman (Sherman, 1987) desarrolló posteriormente este modelo, manteniendo la asunción de una relación lineal entre la permeabilidad a 50 Pa y la infiltración (Ecuación 3), pero ajustándolo en función de las condiciones climáticas locales, tipo de puntos de filtración, altura del edificio y grado de protección (Ecuación 4).

Donde:

N es una constante

C es el factor climático, obtenido por asimilación a los climas de EEUU comparativamente en función de la temperatura media y velocidad del viento.

c_f1 es el factor de correlación de alura del edificio. Se ha tomado igual a 1, considerando que este factor en la fórmula original se aplica únicamente a viviendas unifamiliares.

c_f2 es el factor de correlación del grado de protección. Se ha tomado igual a 1, correspondiente a un grado de protección normal.

c_f3 es el factor de correlación del tipo de abertura de infiltración, relacionado con el exponente n. Se ha tomado igual a 1, correspondiente a aberturas medias (n = 0,60).

Una vez conocido el caudal medio de infiltración a lo largo del año, se ha procedido a calcular el impacto energético que supone la falta de hermeticidad de la envolvente. De nuevo, se ha adoptado un modelo de cálculo simplificado (Ecuación 5), evaluando la repercusión energética de las infiltraciones como producto del caudal de infiltración, la capacidad específica del aire y la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la vivienda (C. Younes et. al, 2012).

Donde:

Q_inf son las pérdidas anuales de energía por infiltración de aire [kWh/a], correspondientes a las pérdidas anuales de calefacción (Q_infC) y refrigeración (Q_infR).

V_inf es la relación del flujo del aire a través de la envolvente del edificio, o caudal [m³/h]

C_p es la capacidad específica del aire 0,34 Wh/m³K

G_t son los grados hora anuales [kKh/a]. Se calcula tanto para calefacción (G_tC) con una temperatura base de 21℃, como para refrigeración (G_tR) con temperatura base de 25℃.

Por extensión, es posible calcular la relación del flujo de aire V_inf a partir de la relación del flujo a 50 Pa obtenida en el ensayo, aplicando de nuevo el modelo de Sherman (Ecuación 6).

Resultados

En la Tabla II y figura 2 se detallan los resultados obtenidos para cada una de las ciudades en las que se ha llevado a cabo el estudio. Los resultados expresan las pérdidas anuales de energía por infiltración de aire (kWh/a) tanto para calefacción como para refrigeración, promediadas por m².

Es necesario tener en cuenta que, en las viviendas plurifamiliares, el ensayo de presurización no permite discernir entre la infiltración que se produce a través de la fachada, con la producida en paramentos en contacto con espacios calefactados (otras viviendas) o no calefactados (zonas comunes del edificio). Tomando el valor total de filtración, se estarían tomando en todo caso los valores más desfavorables.

Conclusiones

De los resultados obtenidos en el presente estudio puede extraerse el enorme impacto que supone la infiltración de aire a través de la envolvente en España. Esta repercusión energética incide de manera más acusada en la demanda de calefacción, mientras que el impacto para refrigeración puede llegar a ser residual, como en los casos de A Coruña o Bilbao. Se han obtenido valores de hasta 19 kWh/m²·a de impacto energético correspondiente a calefacción en el caso de Madrid, mientras que, en ciudades con un clima más suave como Las Palmas de Gran Canaria, el valor se reduce a 2,4 kWh/m²·a. Estos resultados están en la línea de anteriores investigaciones, que indicaban que la falta de hermeticidad de la envolvente puede incrementar la demanda de calefacción de 5 a 20 kWh/m²·a en países con climas templados (Spiekman, 2010). En países como Bélgica o Alemania, se estima que las infiltraciones suponen un 10% del consumo de energía, mientras que en Francia se calcula que la repercusión en el consumo de calefacción se encuentra entre 2 y 5 kWh/m²·a por unidad de n₅₀ (Guyot et. al, 2010). La repercusión energética de la infiltración de aire en los edificios residenciales de España es una cuestión a considerar necesariamente dada su demostrada relevancia. Para el cumplimiento de la Directiva Europea 2018/844, parece indispensable la renovación del parque de viviendas existente y su transformación en edificios de consumo de energía casi nulo, prestando especial atención a la hermeticidad de la envolvente arquitectónica.

Agradecimientos

Este trabajo presenta resultados obtenidos en el proyecto de investigación INFILES: Repercusión energética de la permeabilidad al aire de los edificios residenciales en España: estudio y caracterización de sus infiltraciones, financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (ref. BIA2015-64321-R).

Referencias

• AENOR, UNE-EN 13829:2002. Aislamiento térmico. Determinación de la estanqueidad al aire en edificios. Método de presurización por medio de ventilador. (ISO 9972:1996, modificada), 2002.
• Comisión Europea, Directiva (UE) 2018/844 por la que se modifica la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios y la Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética, 2018.
• Fernández-agüera, J., Sendra, J.J., Suárez, R. & Oteiza, I., Airtightness and indoor air quality in subsidised housing in Spain, en: 36th AIVC Conf. » Eff. Vent. high Perform. Build., Madrid, Spain, 2015.
• Guyot, G., Carrié, R. & Schild, P., Stimulation of good building and ductwork airtightness through EPBD, 2010. www.asiepi.eu.
• Jiménez Tiberio, A. & Branchi, P., A study of air leakage in residential buildings, en: 2013 Int. Conf. New Concepts Smart Cities Foster. Public Priv. Alliances, Gijón, 2013: pp. 1-4. doi:10.1109/SmartMILE.2013.6708180.
• Ministerio de Fomento del Gobierno de España, Código técnico de la Edificación (CTE), Spain, 2017. https://www.codigotecnico.org/.
• Montoya, M.I., Pastor, E., Carrié, F.R., Guyot, G. & Planas, E., Air leakage in Catalan dwellings: Developing an airtightness model and leakage airflow predictions, Build. Environ. 45 (2010) 1458-1469. doi:10.1016/j.buildenv.2009.12.009.
• Sherman, M.H., Estimation of infiltration from leakage and climate indicators, Energy Build. 10 (1987) 81-86. doi:10.1016/0378-7788(87)90008-9.
• Spiekman, M., ASIEPI. The final recommendations of the ASIEPI project: How to make EPB-regulations more effective?, 2010. https://ec.europa.eu/energy/intelligent/projects/sites/iee-projects/files/projects/documents/asiepi_access_the_results._en.pdf.
• Younes, C., Shdid, C. a. & Bitsuamlak, G., Air infiltration through building envelopes: A review, J. Build. Phys. 35 (2012) 267-302. doi:10.1177/1744259111423085.