Estándar Passivhaus, como método de diseño, cálculo y ejecución de los Edificios Casi Nulos

Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:

Autora

• Vanesa Ezquerra, CEO, Vanesa Ezquerra Arquitectura Passivhaus

Resumen

Se plantea una reflexión sobre la idoneidad de utilización del Estándar Passivhaus, y su programa de Cálculo y planificación (PHPP), como herramienta para el diseño de ECCN, así como la obtención de datos fiables y reales de demandas. Para ello, se presenta un caso de estudio, un proyecto de vivienda unifamiliar, donde se observa como con la misma definición constructiva, se obtienen datos muy dispares, en comparación con el programa de cálculo “oficial” HULC. De este estudio, se constata que el PHPP, por su gran alcance a la hora de tener en cuenta múltiples variables que influyen en la demanda y aportes de energía, así como los principios que tiene en cuenta el Passivhaus, y por tanto el PPHP, dan como resultado, datos más fiables de un ahorro energético real, llegando al consumo casi nulo, además de una previsión real, del futuro comportamiento del edificio.

Introducción

Desde el inicio de redacción de proyectos de edificios de consumo casi nulo, bajo el estándar Passivhaus, es este estudio de arquitectura, se ha observado cómo, en los cálculos de la demanda térmica (calor y frio) así como la demanda de energía total, salían valores bastante diferentes, al utilizar distintos programas de cálculo. Llegando en algunos casos a triplicar dichos valores, para el mismo edificio: Misma envolvente, mismas instalaciones, misma ubicación y orientación.

La cuestión principal es, que el programa de cálculo oficial en España, desarrollado por el Ministerio de Fomento, para la justificación de la demanda térmica y demanda total de energía (CTE-DB-HE0 y HE1). La herramienta unificada Lider-Cálener, era, en todos los casos, la que estaba dando esas demandas tan altas. Mientras que el PHPP, la herramienta de cálculo de balance energético y planificación Passivhaus, desarrollado por el Passivhaus Institut, es la que aportaba los valores bajos.

El problema que se planteaba inicialmente era la fiabilidad. ¿Qué datos eran los correctos? Porqué si se tomaba como válidos los primeros, el edificio debería aislarse aún más, para llegar a un ECCN. Se diseña pesando en realizar un edifico sin casi consumo, según el Passivhaus, pero al realizar los cálculos de demanda y calificación energética, para cumplir con CTE, se traslada el modelo al HULC, del que se obtenía un resultado muy distinto. Definitivamente, algo había que no cuadraba.

Así que se decidió, aprovechar un proyecto que estaba desarrollando hace 2 meses, para investigar sobre esta problemática que se había planteado.

El proyecto

Descripción: Vivienda unifamiliar aislada en Laguna de Duero (Valladolid) en una Planta, de 242.04 m2 construidos, incluido garajes, y 142,10 m2 calefactables. El cliente que estaba muy sensibilizado con los temas de eficiencia energética, reducción de emisiones de CO2, y ecología, expuso que tenía muy claro que su casa, debería diseñarse baso estos criterios, por lo que decidimos, basarnos en las exigencias establecidas en el Estándar Passivhaus:

• Demanda de Calefacción y refrigeración de 15 kWh/m2a.
• Carga de Calefacción 10 W/m2.
• Estanqueidad al aire 0.6 1/ h (a 50 Pa)
• Demanda de energía primaria no renovable (ER): 100 kWh/m2

Por tanto, se inició el diseño, teniendo además otros criterios de este estándar como la optimización de las orientaciones, protecciones solares pasivas, ganancias solares, etc., principalmente.

La Definición Constructiva

El resultado es que la carga de calefacción para una vivienda de 142.10 m2 de superficie de referencia (Calefactable) se quedaba en: 1450 kW/a. por lo que solamente con un post-calentamiento en el sistema de ventilación, conseguíamos calefactar la vivienda a 20ºC, como establece el estándar Passivhaus.

Por criterios de un mayor confort, y para dar respuesta a una posible demanda de temperatura interior (más de 20ºC. Se incluyó una pequeña red de calefacción con 2 radiadores toalleros de baja temperatura (uno en cada baño) y un radiador de baja temperatura empotrado en el suelo, junto al gran ventanal.

Para esta instalación, así como para las redes de distribución de A.C.S. me pedía instalar unos aislamientos de 45mm. De espesor, dado que, por diseño, la sala técnica y depósito de multienergía donde se tomaba el calor, tanto la calefacción como para el A.C.S, se encontraba en un extremo de la vivienda, llegando a una longitud hasta el último punto de suministro de 45ml.

Cálculo según el PHPP: La Herramienta de Cálculo de Balance energético y planificación Passivhaus, para su verificación como Edificio de Consumo casi nulo

El PHPP, además de todo lo anteriormente expuesto, para el cálculo de todas estas demandadas, ha tenido en cuenta los siguientes datos:

• Instalación de Calefacción. Longitud real de tubería para cada diámetro (25,20 y 16mm) , Aislamiento tubería D= 45mm con λ=0.034 . Temperatura de trabajo 45ºC
• Instalación de A.C.S. Longitud real de tubería para cada diámetro (25,20 y 16mm). Aislamiento tubería D= 45mm con λ=0.034. Temperatura de trabajo 45ºC, Capacidad de depósito acumulación A.C.S., temperatura de acumulación, Aislamiento del depósito, nº de grifos y nº de veces de apertura por usuario.

Por tanto, el programa tiene en cuenta las pérdidas que las tuberías tienen en cada instalación, repercutiendo tanto en el sobrecalentamiento en verano, como el de la mayor de manda de energía que requiere para contrarrestar estas pérdidas.

El resultado del cálculo según el PHPP era positivo, consiguiendo con este diseño, una “Casa Pasiva”.

De la figura nº 6, se observa, que el diseño realizado cumple, con todas las exigencias para una Casa Pasiva, sin duda, un edificio de consumo casi nulo, al observar los datos:

• Demanda de Calefacción: 8 kWh/m2a
• Carga de Calefacción: 10 W/m2
• Demanda de Energía Primaria no renovable: 97 kWh/m2

La Demanda de energía primaria no renovable es la total del edificio, esto es, incluye todos los consumos energéticos, incluyendo iluminación, electrodomésticos, bombas de circulación, cualquier equipo de consumo eléctrico previsto, y los propios equipos de ventilación, calefacción y producción de A.C.S. Es por ello, que el límite es bastante superior al establecido por el CTE-DB-HE0. Dado que este último solo tiene en cuenta el consumo de climatización y producción de A.C.S. Sanitaria.

Además, debe ponerse en valor, la información sobre la frecuencia de sobrecalentamiento, que se ofrece con El PHPP. Según este cálculo, el edificio solamente va a sobrepasar un 3 % anual, la temperatura de 25ºC.  Por lo que, se estima que no es necesario un sistema de refrigeración activo.

Cálculo según el HULC: La Herramienta unificada Lider-Cálener

Una vez introducido el modelo, del edificio con la misma definición constructiva e instalaciones.  En este caso, solamente tiene en cuenta las instalaciones térmicas: Calefacción, refrigeración y producción de A.C.S., dejando de lado otras instalaciones  y punto de consumo eléctricos Además la báse de cálculo para la eficiencia energética de las instalaciones es el Reglamento de Instalaciones del Edificios, que entre otras cosas no tiene en cuenta el aumento de  las demandas,  debido a las pérdidas energéticas de las tuberías, debido a factores como diámetro, temperatura de fluido y espesor de aislamiento. Únicamente establece unos aislamientos mínimos de tuberías, para determinado ahorro energético sin definir éste.

Procedemos a realizar el cálculo en el HULC, y esta es la tabla resumen que obtenemos:

• Demanda de Calefacción 31,67 kWh/m2*a.  según el CTE-EH1.  Estableciendo el límite en 40,98 KWh/m2a.
• Demanda de Refrigeración 4,34b KWh/m2.a según el CTE-EH1.  Estableciendo el límite en 15 KWh/m2a.
• Demanda de energía primaria no renovable 34,03 kWh/m2*a.   Esbleciendo su límite en 80,97 kWh/m2a. según el CTE-EH0., en el cual no se ha tenido el resto de consumos energéticos como electricidad, iluminación, ventilación u otros aparatos de consumo como los electrodomésticos.

Resultados

Como se observa al primer golpe de vista es, sobre todo, la disparidad de los resultados obtenidos, para un mismo edificio:

Al observar con más detenimiento, y se constata que cada programa tiene en cuenta, unos factores a la hora de realizar los cálculos. Y esto, tiene una repercusión muy directa, tanto en los datos resultantes de dicho cálculo, como de su adecuación y relación con el resultado final: consumos reales y comportamiento del edificio terminado.

1. El PHPP, toma en cuenta muchos factores intrínsecos al edificio, que de una forma muy directa, influyen en las demandas y consumos.
   1. En la instalación de Calefacción: Diámetro de tuberías, Tº del fluido, espesor y “λ” del aislamiento, además del consumo y eficiencia del equipo de producción de calor.
   2. En la instalación de A.C.S. No solo tiene en cuenta la eficiencia del equipo de producción, sino otros elementos como depósito de acumulación, capacidad y pérdidas que se producen en éste. Longitud de tuberías de distribución, Tª del A.C.S., Diámetro de las tuberías, Espesor del aislamiento, y “λ” del mismo. Además, nº de usuarios de la vivienda, nº de puntos de consumo, y nº de apertura de los grifos al día.  Por tanto,  este método  es más real. Además, es lógico pensar que la demanda de ACS, en este caso sea mayor, que la calculada con HULC.
   3. En la Demanda de energía primaria: se tiene en cuenta todos los aparatos y puntos de consumo: equipo de calefacción y ACS, bombas de circulación, perdidas en cada instalación, equipo de refrigeración, si fuera necesario. consumo del equipo de ventilación,
   4. El PHPP, tiene en cuenta sistemas de refrescamiento, que no consumen energía, para la época estival. Lo cual reduce considerablemente las demandas de energía para la refrigeración y por tanto el consumo de energía total.
2. El PHPP, tiene en cuenta la hermeticidad de la vivienda, lo cual influye muy positivamente, reduciendo la demanda y consumos de calefacción. El CTE establece límites únicamente a la permeabilidad de ventanas y puertas.
3. El Passivhaus es un estándar de diseño que lleva poniéndose en práctica desde el año 1991. Con más de 30000 edificios construidos, y muchos de ellos monitorizados. Registrando a día, los consumos y temperaturas que son estudiados y almacenados. Y finalmente, se ha verificado que, en todos los casos, la exactitud del método. Al coincidir de los datos de cálculo, y los datos reales durante su uso.
4. El HULC, es un programa de cálculo, que no tiene en cuenta tantas variables, únicamente la composición arquitectónica, y las instalaciones térmicas en cuanto a RITE, así como los consumos y rendimientos de los equipos térmicos. Su antigüedad es de 2007, y durante este periodo de funcionamiento, se ha observado que es un programa poco ambicioso a la hora de diseñar ECCN.
5. Cada programa establece unos límites de demanda y consumos, que en todos los casos, y estudiando sus particularidades, en el HULC (y por tanto CTE), es mucho mayor, lo que parece, a priori, alejarse del modelo ECCN.

Conclusiones

Si queremos diseñar un edificio de consumo casi nulo, deberíamos partir de métodos que limite considerablemente el consumo y demanda del edificio, y por tanto, el PHPP, bajo el estándar Passivhaus, lo es. Son límites extremadamente bajos, pero fáciles de conseguir con un diseño adecuado, a un precio competitivo de mercado.

• Demanda de Calefacción y refrigeración de 15 kWh/m2a.
• Carga de Calefacción 10 W/m2.
• Estanqueidad al aire 0.6 1/ h (a 50 Pa)
• Demanda de energía primaria no renovable (ER): 100 kWh/m2

El PHPP, tiene en cuenta todos los factores, equipos e instalaciones del edificio que de algún modo influyen en la eficiencia y por tanto de la demanda de energía, incluyendo el diseño pasivo y métodos de uso y mantenimiento pasivos, como es la ventilación nocturna cruzada en el verano. Hecho que se tiene en cuenta, desde el momento de diseño del edificio.

El PHPP, tiene en cuenta los valores de estanqueidad al aire, que se determinan mediante un ensayo denominado Blower Door. La estanqueidad limita las pérdidas incontroladas de energía que se producen en el edificio, y por tanto, reducen la demanda de calefacción.

El PHPP y el estándar Passivhaus, establece como obligatorio la realización de la instalación de ventilación con doble flujo, más un recuperador de calor, con un rendimiento mínimo del 75%. Esto, reduce la demanda de calefacción /refrigeración un 20%. Por lo tanto, es una instalación, que debe considerarse básica para un ECCN.

Y finalmente, el PHPP, se ha demostrado durante los 26 años de utilización como un método de cálculo válido, eficiente, veraz y riguroso.

Por tanto, debe considerarse el estándar Passivhaus, y su programa de Planificación PHPP, como un método más que adecuado, para el diseño y cálculo de los ECCN, puesto que, a tenor de observado con el ejemplo mostrado, el resultado final, es un ECCN al 100%.