¿Cuánta energía consume su edificio, Mr. Foster? Del DBHE 2013 al Edificio de Energía Casi Nula

Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:

Autores

• Pedro Antonio Díaz Guirado, Arquitecto, Universidad Católica de Murcia y Servicios Técnicos del COAMU
• Ángel Allepuz Pedreño, Arquitecto, Universidad de Alicante

Resumen

El camino hacia el EECN nos obliga a replantear la construcción y diseño de los edificios. La aplicación del DBHE 2013 es un hito en el camino, un cambio de modelo en las exigencias en los edificios. Esta vuelta de tuerca es solo la primera tras el CTE06. Están previstos nuevos aumentos de exigencias, hacia el H2020. Se plantea un estudio de casos con las herramientas oficiales de verificación energética, donde las variables son: zona climática, orientación, características de la envolvente, compacidad y proporción de huecos. Se analiza la capacidad de ahorro con parámetros independientes (condiciones climáticas y urbanísticas-no modificables por el proyectista- y se buscan los límites actuando desde soluciones constructivas y el diseño.

Introducción

Algunos parámetros que influyen en la eficiencia energética de los edificios han sido descubiertos a lo largo del tiempo y su conocimiento tiene una influencia que se viene manifestando tanto en la arquitectura popular como en la culta; pero es el siglo XIX, con el desarrollo de la termodinámica, como teoría física de rango científico, cuando se hizo posible cuantificar los fenómenos y prever comportamientos. Los conocimientos del arquitecto en la optimización de los recursos naturales son, o debe ser, incorporados a todo proyecto desde su punto de partida. Sin embargo el camino hacia el edificio de energía casi nula nos obliga a replantear de nuevo la construcción y el diseño de nuestros edificios, rumbo a la máxima eficiencia.

La aplicación del nuevo DBHE 2013 conlleva un cambio de modelo en las exigencias de la normativa española aplicada a edificios. Esta vuelta de tuerca es solo la primera en el tránsito desde el CTE06 hacia el H2020, donde la limitación absoluta de la demanda implicará un estudio particularizado de cada edificio. En el procedimiento de análisis de los factores que inciden en el comportamiento energético del edifico podemos discernir entre dos tipos: aquellos cuyas condiciones no son modificables por el proyectista y aquellas que sí lo son. Entre los primeros están los datos climáticos, de soleamiento, de uso o los parámetros urbanísticos y entre los segundos, las distintas soluciones constructivas de la envolvente y de diseño, que no son datos a priori.

Objetivos

Valorar la capacidad de ahorro energético manejando parámetros independientes de las condiciones climáticas y urbanísticas, no modificables por el proyectista.Buscar los límites hasta los que podemos llegar actuando desde las distintas soluciones constructivas, así como sobre orientación y el diseño. Evaluar los límites de las herramientas oficiales al objeto de su aplicación como posibles herramientas de diseño.

Metodología

Se recurre al estudio de casos, mediante el modelizado y evaluación energética con las herramientas oficiales de verificación del DBHE y calificación energética en España, donde las variables son: zona climática de referencia según normativa, orientación, características térmicas de la envolvente, tamaño de huecos, compacidad y forma.

Resultados

El estudio se organiza en dos bloques: por un lado las exigencias y recomendaciones de la nueva normativa de ahorro energético, DBHE 2013 y por otro los resultados de demanda energética de casos teóricos con las variables citadas.

1. Del análisis de la normativa DBHE 2013

A. Las exigencias actuales

Reflejamos en la figura 1 las demandas límite establecidas en el DBHE para viviendas. La forma del edificio tiene influencia en la demanda de calefacción y así lo recoge la norma, variando la exigencia en función de la compacidad del edificio evaluada a través de la superficie construida en las zonas de invierno más riguroso (C, D y E). La exigencia varía mucho en edificios pequeños de menos de 200 m2, pero se estabiliza a partir de ahí. Es fija en zonas α , A y B con demandas previsibles de calefacción bajas.

Figura 1. a-Demanda límite calefacción según superficie por zonas climáticas b-Urecomendada (DBHE-13) c-Relación U/espesor aislante para tres tipos de fachada.

B. Predimensionado energético

El apéndice E del DBHE contiene una serie de valores orientativos de los parámetros característicos de la envolvente térmica según la zona climática. A partir de estas recomendaciones de transmitacia, y conocida la conductividad de los materiales de aislamiento más frecuentes, podemos plantear un “predimensionado energético” de soluciones constructivas en uso residencial para tener un orden de magnitud de las prestaciones térmicas de los sistemas constructivos a emplear. En las siguientes tablas se representa el espesor de aislamiento térmico calculado para cada zona climática y tipo de aislante empleado, estudiando fachadas, suelos y cubiertas. Se simplifican los datos obtenidos en tres tablas, una por elemento constructivo.

Figura 2. Espesor de aislamiento obtenido para cada tipo de aislante térmico empleado en cada zona climática. LM-Lana Mineral, EPS-Poliestireno extruido, AA.PP-Aislante de altas prestaciones.

Como se puede observar en la figura 1c, para el cálculo de U, la tipología del elemento constructivo es menos representativa cuanto mayor es el espesor de la capa aislamiento, aunque tiene influencia en otros parámetros, como la inercia térmica.

2. Del estudio de Casos: La propuesta arquitectónica

Figura 3. Plano de Roma. Nolli, G. 1748.

En el estudio de casos se ha procedido a modelizar los edificios con herramientas informáticas para su posterior análisis con CALENER. Se han planteado una serie de supuestos en los que se mantiene fijos unos parámetros y otros varían, al objeto de observar la influencia que cada uno de ellos tienen en los resultados finales. Se pretende así establecer qué factores son determinantes en la demanda energética. Distinguimos entre variable de compacidad -por alturas y por esponjamiento– y variables de posición -por orientación y disposición de huecos en fachada.

A. Variable forma-compacidad

A.1. Número de plantas 2-4-6-8

Figura 4. Demanda anual en función del número de plantas, para cada zona climática. Imagen generada a partir de los Laboratorios Jorba, Fisac, M.,1965.

Como se observa, el número de plantas no tiene apenas incidencia en la refrigeración. Para la calefacción parece tener una incidencia decreciente según aumenta el número de plantas. Es significativa –del 20%- entre dos y cuatro plantas, para mayor altura se vuelve prácticamente residual.

A.2. Tipología

Se define como variable la tipología en planta y se mantiene invariable el volumen construido, la orientación y la disposición de huecos. Las zonas climáticas seleccionadas son A4, A3, B3, C3, D3 y E1.

Figura 5. Demandas de calefacción y refrigeración anuales para diferentes tipologías residenciales.

En las variaciones de tipología encontramos pocas diferencias para la refrigeración, pues apenas varían en los cómputos anuales; sin embargo, sí hay diferencias más acusadas para la calefacción. En un estudio pormenorizado mensual se aprecia con mayor claridad estas diferencias que resultan favorables a la casa compacta, que nombramos con el autor que la definió. (Olgyay, 1963)

Los tipos menos compactos no se benefician en verano de los microclimas generados por el edificio, como por ejemplo los patios, con capacidad de control de soleamiento, humedad y temperatura exterior (Neila, 2004), lo que indica que la herramienta no implementa estos mecanismos bioclimáticos, lo que puede llevar a simplificaciones que perjudican planteamientos que pueden ser buenos a nivel energético en climas templados.

B. La orientación

Variamos la orientación de una pieza manteniendo fijos el resto de parámetros: correspondientes al modelo empleado en el caso A.1. número de plantas. La orientación del bloque Norte-Sur obtiene una demanda un 30% más baja que la Este-Oeste.

C. El tamaño de huecos a sur. Soleamiento y captación

Figura 6.  2-4-6-8-house. Morphosis, 1978.

Se evalúa la influencia del tamaño de huecos en la demanda total del edificio: para ello se plantea un modelo con tamaño de huecos fijos en todas sus orientaciones salvo la sur, que varía desde el 80% de huecos hasta una fachada totalmente opaca. Para la evaluación empleamos un vidrio de altas prestaciones térmicas (U=1,70 W/m2K) y factor solar elevado (g=0,75), protegido con un vuelo de 80 cm. (fig. 7) Se realizan las simulaciones del modelo para cuatro zonas climáticas, una con invierno extremo, E1 y otras tres con verano tipo 3 y distintos inviernos, desde el suave, B3 hasta el más frío, D3. Los resultados muestran la influencia positiva del soleamiento en la demanda de calefacción pues las ganancias por radiación solar se traducen en una reducción de demanda con balance neto positivo, superando las pérdidas por transmisión del hueco.

Figura 7. Demanda de refrigeración, calefacción y total en función del tamaño relativo de hueco en fachada sur y calculado para cada zona climática

Discusión y Conclusiones

• El DBHE 2013 plantea límites de demanda energética de calefacción que se relajan para edificios de menor superficie y se igualan para superficies mayores.
• Las recomendaciones de la norma llevan a un aumento del espesor de aislamiento de la envolvente. El efecto sobre la transmitancia deja de tener influencia importante a partir de determinados espesores -10cm-
• La forma del edificio no tiene apenas incidencia en la demanda obtenida de refrigeración. Para la calefacción sí se aprecia influencia, relacionada con el tamaño del edificio. Los edificios pequeños, con mayor relación superficie/volumen, tienen mayor demanda energética. A mayor tamaño el efecto disminuye y las demandas bajan más lentamente.
• Manteniendo el tamaño del edificio y variando la tipología obtenemos menores demandas en invierno en tipos compactos respecto a tipos esponjados. La refrigeración no varía.
• La variación del tamaño de huecos a sur supone un factor de reducción de la demanda de calefacción en todos las zonas climáticas: del 20% en zona E1 y hasta del 90% en B3. Si se limita el exceso de incidencia en verano con protecciones, el ahorro puede ser importante.
• Los factores que dependen de las soluciones constructivas -espesor de aislamiento- por sí mismos y a fecha de hoy, no parecen aportar soluciones nuevas ni definitivas para seguir reduciendo la demanda energética.
• El CTE parece estar planteado fundamentalmente para el frío y muestra menor sensibilidad para edificios situados en climas templados. La evaluación debe ser sensible a planteamientos arquitectónicos para zonas cálidas, como los patios, ya que los resultados no arrojan ningún beneficio en verano: puede llevar a simplificaciones que perjudiquen planteamientos buenos a nivel energético en estos climas.
• Llevados al límite aislamiento y sistemas constructivos, hay que trabajar con factores que dependen del diseño arquitectónico y del urbanismo hacia el Edificio de Energía Casi Nula.

Referencias bibliográficas

• Neila, F., 2004, Arquitectura bioclimática en un entorno sostenible, Ed. Munilla-Lería, Madrid
• Olgyay, V., 1963 Design with climate: bioclimatic approach to architectural regionalism, Princeton Universitypress, Princeton N.J.

Esta comunicación forma parte de los trabajos de investigación para el desarrollo de la tesis doctoral de Pedro Antonio Díaz Guirado, «Energía, entropía, arquitectura» dentro del grupo TECNOS (Programa de doctorado del Departamento de Ciencias Politécnicas de la Universidad Católica de Murcia).