LÓPEZ, M.; YÁÑEZ, A.; GOMES DA COSTA, S.; AVELLÀ, L., (Coord.). Actas del Congreso Internacional de Eficiencia Energética y Edificación Histórica / Proceedings of the International Conference on Energy Efficiency and Historic Buildings (Madrid, 29-30 Sep. 2014). Madrid: Fundación de Casas Históricas y Singulares y Fundación Ars Civilis, 2014. ISBN: 978-84-617-3440-5
Edited by
Fundación de Casas Históricas y Singulares Fundación Ars Civilis
Coordinated by
Mónica López Sánchez. Fundación Ars Civilis
Ana Yáñez Vega. Fundación de Casas Históricas y Singulares Sofia Gomes da Costa. Fundación de Casas Históricas y Singulares Lourdes Avellà Delgado. Fundación Ars Civilis
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PRESENTACIÓN ... 11
Eficiencia energética y edificación histórica: un reto del presente... 13
-Cristina Gutiérrez-Cortines y Mónica López Sánchez. Fundación Ars Civilis Eficiencia energética y edificación histórica: un reto del futuro ... 14
-Ana Yáñez Vega. Fundación de Casas Históricas y Singulares Committees ... 15
Programme ... 16
Governance, management, participation and mediation... 21
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TORT-AUSINA, I.; VIVANCOS, J.L.; MARTÍNEZ-MOLINA, A.; MENDOZA, C. M.
TORT-AUSINA, I.: Dpto. Física Aplicada, ETS Ingeniería de Edificación, Universitat Politècnica de València. València – España. [email protected]
VIVANCOS, J.L.: Dpto. Proyectos Ingeniería, ETS Ingenieros Industriales. Universitat Politècnica de València. València – España. [email protected]
MARTÍNEZ-MOLINA, A.: Doctorando, Dpto. Física Aplicada, Universitat Politècnica de València. València – España. [email protected]
MENDOZA, C. M.: Estudiante de Arquitectura, Universitat Politècnica de València. València – España. [email protected]
RESUMEN
El fomento de la eficiencia energética en edificación pasa por utilizar la calificación energética para concienciar a los usuarios de la importancia no sólo de los equipos eficientes, sino de que lo sean también los edificios. El Real Decreto 235/2013 transpone al derecho nacional español las exigencias de la Unión Europea para los edificios ya construidos.
En esta comunicación se analiza energéticamente una casa en Requena (Valencia, España) de 1851. Se trata de un inmueble común en comarcas de interior, colindantes con Aragón y Castilla la Mancha, en el que, con el propósito de aprovechar la luz natural se habita la planta alta, distinguiéndose las estancias de la vida doméstica, y a nivel de suelo los espacios de almacenamiento. Una casa modesta, construida pocos años después del fin de las guerras Carlistas en España (1833‐1876), periodo en el que, conocido el apoyo de los vecinos a Isabel II, el municipio sufrió una época de decadencia.
Para el estudio energético se ha utilizado en primer lugar el programa informático DesignBuilder, para el análisis de edificios energéticamente eficientes y sostenibles, que utiliza Energyplus, motor de cálculo mundialmente reconocido. Con este programa se ha realizado una simulación energética dinámica del estado actual de la vivienda. Después de analizar estos resultados, se ha utilizado el software Ecotect Analysis de Autodesk, programa interactivo de simulación energética que trabaja también con EnergyPlus, lo que ha permitido tener datos de partida sin dispersión en ambos programas.
Se ha introducido en Ecotect un modelado de la vivienda y se han realizado estudios de rosas de vientos de la zona para la ventilación natural, radiación solar incidente de las fachadas y sombras de la vivienda. Se han analizado las curvas psicométricas por estaciones, estudiando las mejoras que el software propone a partir de las mismas. Partiendo de los resultados de este análisis, se proponen diversas estrategias pasivas para mejorar la eficiencia energética de la vivienda.
A continuación, se ha vuelto a utilizar DesignBuilder para introducir las mejoras propuestas y se ha simulado de nuevo. Los resultados obtenidos para la comparación del éxito de la intervención son las cargas del sistema en demandas energéticas de calefacción y las ganancias internas.
Palabras clave: eficiencia energética, simulación, estrategias pasivas, restauración histórica.
ABSTRACT
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buildings. The Spanish regulation (Real Decreto 235/2013) supersedes the exigencies of the European Union for existing buildings.
In this paper, a house in Requena (Valencia, Spain) of 1951 is analyzed from the energetic point of view. It is a common type of building in regions of interior, adjacent with Aragon and Castilla, in which with the intention of taking advantage of the natural light the higher plant is where the living takes place, being there distinguished the stays of the domestic life, and in the ground floor is devoted to spaces of storage. A modest house, constructed a few years after the end of the Carlists wars in Spain (1833‐1876), period in which, known the support of the neighbors to Isabel II, the municipality suffered an epoch of decadence.
For the energetic study the software DesignBuilder has been used, for the analysis of energetically efficient and sustainable buildings, which uses Energyplus, an engine of calculation worldwide recognized. With this software an energetic dynamic simulation of the current condition of the housing has been performed. After analyzing these results, the software Autodesk's Ecotect Analysis has been used, being an interactive program of energetic simulation that works also with EnergyPlus, which has allowed us to use initial data without dispersion in both programs.
A simulation of the building has been performed with Ecotect, realizing studies of wind roses of the zone for the natural ventilation, solar incident radiation of the façades and shades of the building. The psychometric curves have been analyzed, studying the improvements that the software proposes by using them. Departing from the results of this analysis, diverse passive strategies to improve the energy efficiency of the building are proposed.
To finish, DesignBuilder has been used again, to introduce the proposed improvements to do a new simulation. The results obtained and compared to evaluate the success of the intervention are the loads of the system in energetic demands of heating and the internal gains.
Key words: energy efficiency, simulation, passive strategies, historical refurbishment
1. INTRODUCCIÓN
La mejora de la envolvente de los edificios residenciales representa un enorme potencial de ahorro energético, equivalente a 90 Mtep (millones de toneladas equivalentes de petróleo) en 2030 para la UE-27 [1]. Más de dos terceras partes de este potencial se encuentra en los edificios existentes. Por lo tanto, además de los nuevos edificios, los existentes que se sometan a una amplia restauración, deberán cumplir también con los estándares de “gran comportamiento energético” para el año 2020.
Los edificios con un vaor patrimonial importante no están obligados a cumplir los estrictos requisitos sobre su comportamiento energético. En números generales los edificios históricos representan una cantidad pequeña, y que esos niveles de comportamiento energético no se lleven a cabo en estos edificios singulares no afecta en demasía el ambicioso plan para reducir el consumo total de energía de los edificios construidos.
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- 283 - En este estudio se ha analizado el comportamiento energético de una vivienda y las diferentes
alternativas pasivas para la rehabilitación en busca de una demanda energética menor, por supuesto, conservando intacto el valor patrimonial [2] del mismo.
2. DESCRIPCIÓN DEL INMUEBLE ANALIZADO
El edificio objeto de estudio es una vivienda unifamiliar adosada ubicada en Requena, Valencia, formada por dos volúmenes, el principal, original de la casa y de mayor tamaño que recae a la calle, y el otro más pequeño, adosado al anterior tras una ampliación en la vivienda, que recae al patio de luces interior. El volumen principal está compuesto de planta baja más dos alturas y el más pequeño, de planta baja más una altura. La planta baja se destina a usos de almacenaje, garaje, trastero y cuadra. En la primera planta se encuentran las zonas de vida de la vivienda, como son los tres dormitorios, el salón comedor, cocina y baño. Por último, en la segunda planta se encuentra un trastero y un gran espacio multiusos, bajo la cubierta a dos aguas del volumen principal. La composición simple de la fachada se manifiesta humilde y clásica en su entorno.
La vivienda, correspondiendo con las construcciones de su época, consta de una estructura de muros portantes de tapial construido con arcilla, de gran espesor, alcanzando en planta baja, espesores de 50cm con un acabado de enfoscado y posterior pintando en la fachada principal. Conforme se va creciendo en altura, la sección de dichos muros va disminuyendo a 30 y 20cm. Se presentan dos tipologías de cubiertas, el volumen mayor con una cubierta a dos aguas de tipología par-hilera compuesta de cañizo, cuya misión es servir de apoyo a las capas de mortero de yeso, rematada en la parte exterior con teja cerámica curva.
El sistema constructivo de los forjados consiste en revoltones con bardos cerámicos y de vigas y viguetas de madera con acabado en yeso inferior por la parte inferior de los revoltones y mortero de cemento de regulación y placa cerámica como pavimento por la parte superior.
La cubierta del volumen más pequeño, está compuesta de viguetas prefabricadas de hormigón que forman la pendiente y a su vez reciben las placas de fibrocemento.
3. PROGRAMAS EMPLEADOS
Para el desarrollo del estudio se han empleado dos programas de simulación energética en la edificación, DesignBuilder y Ecotect Analysis.
Ecotect Analysis: Consiste en una herramienta completa de análisis medioambiental útil tanto para del proceso de diseño como para la intervención sostenible en edificios construidos proporcionando una simulación visual y minuciosa de la obra objeto de estudio y de su entorno.
Designbuilder es un software de simulación energética de edificios que permite analizar todos los aspectos relativos a la eficiencia energética, confort, coste e impacto ambiental. Para este estudio se han introducido todos los datos obtenidos en la fase de recogida de datos y los requerimientos de confort necesarios para la vida cotidiana de los habitantes de la vivienda.
4. RESULTADOS
4.1. Transmitancias
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- 284 - generales de ubicación se ha modelado la vivienda con sus características dimensionales
geométricas exactas, en Ecotect Analysis como zonas térmicas y en DesignBuilder como muros y sus espesores. La presencia de los edificios del entorno se entienden como fundamentales para que la simulación se asemeje a las condiciones reales por lo que se ha modelado también el entorno inmediato a la vivienda, todos los edificios que pueden generar sombra sobre el mismo [3].
Terminado el modelado, se han introducido los materiales componentes de cada elemento constructivo dando como resultado los valores de transmitancia de cada elemento, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Transmitancia de elementos constructivos originales
Situación Actual Espesor (m) Transmitancias(W/m2k)
Muro exterior 25 0,25 2,176
Muro exterior 30 0,30 1,980
Muro exterior 50 0,50 1,456
Cubierta plana 0,05 2,857
Cubierta inclinada 0,05 2,298
Forjados 0,82 2,552
Vidrio 0,006 6,250
Tanto Ecotect como DesignBuilder constan con una base de datos meteorológicos bastante extensa pero en ninguno de los dos aparecían los correspondientes a Requena, por lo que se han obtenido de la plataforma Green Building Studio de Autodesk, en la cual se han generado un proyecto, elegido la estación existente en Requena y exportado los datos meteorológicos en formato .ccv que posteriormente se introducen en ambos programas.
Previo a la simulación como tal, se han establecido parámetros térmicos iguales como la temperatura interior necesaria para mantener el confort en el interior, determinándose un rango entre 18º y 26ºC que debe alcanzarse con aire acondicionado o con calefacción.
Con todos estos datos, ya se tienen introducidos todos los factores necesarios para la simulación [4]:
_Factores propios de la vivienda: geometría, materiales constructivos, transmitancia. _Factores externos: ubicación, datos meteorológicos, edificación vecina.
_factores internos: temperatura interior, franja horario de uso de la vivienda.
4.2. Análisis medioambiental y posibles estrategias pasivas
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1 3 9 + 1 2 5 1 1 1 9 7 8 3 6 9 5 5 4 1 2 7 < 1 3
O c t o b e r
1 0 k m / h 2 0 k m / h 3 0 k m / h 4 0 k m / h
5 0 k m / h h rs
1 1 7 + 1 0 59 3 8 1 7 0 5 8 4 6 3 5 2 3 < 1 1
N o v e m b e r
1 0 k m / h 2 0 k m / h 3 0 k m / h 4 0 k m / h
5 0 k m / h h rs
7 9 + 7 1 6 3 5 5 4 7 3 9 3 1 2 3 1 5 < 7
D e c e m b e r Prevailing Winds
W in d F re q u e n c y ( H rs)
L o c a t io n : G B S _ 0 6 M 1 2 _ 0 2 _ 0 6 1 0 4 1 . c s v , (4 1 . 8 ° , 1 2 . 6 ° )
D a t e : 1 s t J a n u a ry - 3 1 s t D e c e m b e r
T im e : 0 0 : 0 0 - 2 4 : 0 0
© W e ath er T o ol
Figura 1: Rosa mensual de los vientos
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- 286 - En segundo lugar, con Ecotect Analysis se han estudiado también las sombras arrojadas y
proyectadas por la vivienda en los días pico del año, observándose en la imagen la trayectoria diaria y anual del sol y a su vez la radiación solar que recibe la vivienda, que queda clara con la escala de colores que aparece, al igual que en la gráfica de los vientos, en el lateral derecho de las Figuras 2 y 3.
Figura 3: Solsticio invierno 21diciembre 13:30h
4.3. Demanda de calefacción y refrigeración
Se ha procedido a calcular las demandas de calefacción y refrigeración[6] y posteriormente comparar los resultados obtenidos con los dos programas, extrayéndose los resultados que se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Demandas de calefacción y refrigeración
Situación Actual Demanda Calefacción
(kWh/m²a)
Demanda refrigeración (kWh/m²a)
TOTAL (kWh/m2a)
DesignBuilder 184,81 7,87 192,68
Ecotect 186,42 17,95 204,37
4.4. Propuestas de mejora
4.4.1. Balance Térmico con DesignBuilder
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- 287 - Figura 4: Balance térmico
Las infiltraciones exteriores son la tercera causa de pérdidas que muestra la vivienda, por lo que deberíamos actuar sobre la tipología constructiva de la envolvente.
4.4.2. Curvas Psicométricas con Ecotect Analysis
Se estudian las curvas psicométricas aportadas por el programa Ecotect para los meses de invierno y de verano. El programa limita la zona de confort estándar y en función de las temperaturas que se producen en cada zona geográfica, propone una serie de estrategias pasivas para alcanzar el confort en la estación determinada. En el caso de verano, la curva se muestra en la Figura 5.
El software plantea diversas estrategias como son la calefacción solar pasiva, el efecto de masa térmica, exposición de las masas y ventilación nocturna, ventilación natural, enfriamiento directo por evaporación y enfriamiento indirecto.
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- 288 -
DBT(°C) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
AH 5 10 15 20 25 30 Comfort Psychrometric Chart
Location: Albacete, ESP Frequency: 1st June to 1st September Weekday Times: 00:00-24:00 Hrs Weekend Times: 00:00-24:00 Hrs Barometric Pressure: 101.36 kPa
© W e a th e r T o o l
SELECT ED DESIGN T ECHNIQUES:
1. passive solar heating 2. thermal mass effects
3. exposed mass + night-purge ventilation
4. natural ventilation 5. direct evaporative cooling
6. indirect evaporative cooling
Figura 5: Curva psicométrica verano
DBT(°C) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
AH 5 10 15 20 25 30 Comfort Psychrometric Chart
Location: Albacete, ESP Frequency: 1st December to 1st March Weekday Times: 00:00-24:00 Hrs Weekend Times: 00:00-24:00 Hrs Barometric Pressure: 101.36 kPa
© W e a the r T o o l
SELECT ED DESIGN T ECHNI QUES:
1. passive solar heating 2. thermal mass effects
3. exposed mass + night-purge ventilation
4. natural ventilation 5. direct evaporative cooling
6. indirect evaporative cooling
Figura 6: Curva psicométrica invierno
Según el balance térmico, la vivienda tiene perdidas en invierno por lo que se analizan las estrategias de calefacción en las curvas psicométricas. Para las temperaturas de 11-18ºC el programa propone calefacción solar pasiva para alcanzar la temperatura de confort, lo que supondría la apertura de huecos para una mayor captación de la radiación solar o la colocación de placas solares o algún sistema pasivo de captación de la radiación. Pero una vez analizado en detalle, no se considera apropiada esta estrategia por dos razones. La primera, con esta solución de aumentar la radiación solar pasiva tan sólo se solventarían las temperaturas más altas del
Requena
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- 289 - disconfort, para mejorar las temperaturas más desfavorables no sería suficiente con esta
modificación pasiva de mayor captación de radiación solar. La segunda razón para no escoger esta solución es que al tratarse de un edificio histórico y de una actuación de rehabilitación, no resulta apropiado realizar cambios morfológicos en la vivienda.
4.4.3. Propuestas
Considerados los análisis anteriores, se procede a añadir un aislamiento de lana de roca en el intradós de los muros. Se ha simulado en DesignBuilder [7] con diferentes espesores para conseguir la optimización del mismo en referencia a las demandas de calefacción y refrigeración. Se han obtenido los siguientes resultados. Tabla 3.
Tabla 3. Resultados de la simulación de opciones en DesignBuilder
DesignBuilder Demanda Calefacción
(kWh/m²a)
Demanda refrigeración (kWh/m²a)
Total (kWh/m2a)
Situación Actual 184,81 7,87 192,68
Opción 1 2cms 143,43 8,50 151,93
Opción 2 4cms 130,35 8,67 139,02
Opción 3 6cms 123,81 8,78 132,59
Opción 4 8cms 120,05 8,88 128,93
Opción 5 10cms 117,75 8,97 126,72
Figura 7: Demandas según espesores (Kwh/m2a)
Considerándose que la disminución de las demandas entre la opción 2 y la 3 es muy pequeña, se ha considerado que la opción 2 es la óptima pues se consigue disminuir la demanda de calefacción y refrigeración con un menor espesor lo que supone una ventaja al ocupar menos metros cuadrados de la superficie de la vivienda, y abaratar los costes de material.
Se ha realizado la comparación de este resultado final tanto en DesignBuilder como en Ecotect y los resultados obtenidos en este último son los siguientes.
Tabla 4. Resultado de la simulación de la mejora en Ecotect Analysis
Ecotect Analysis Demanda Calefacción
(kWh/m²a)
Demanda refrigeración (kWh/m²a)
Total (kWh/m2a)
Situación Actual 186,42 17,95 204,37
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- 290 - Figura 8: Comparación demandas situación actual y mejora (kWh/m²a)
5. CONCLUSIONES
Se han observado los resultados del balance térmico (figura 4) y los elementos constructivos que tienen mayores pérdidas son los muros y las cubiertas, por lo que se ha optado por proponer como mejora la colocación de placas de lana de roca en el interior de los muros y las cubiertas. Como se puede observar tanto en la figura 7 como en la figura 8, las demandas de calefacción han disminuido de forma significativa sufriendo una reducción de aproximadamente un 37% mientras que la refrigeración se mantiene ligeramente estable, aumentando muy poco con la simulación de DesignBuilder debido a que al aumentar el aislamiento térmico disminuye la radiación solar sensible de penetrar en el interior.
Se ha considerado exitosa la simulación pues, las deficiencias de la vivienda que se centraban en la calefacción, se han solventado añadiendo solamente 4 cm de aislamiento y obteniéndose como resultado una gran mejora que supondrá una reducción de consumo y a su vez un menor gasto económico para los usuarios.
Cabe destacar los beneficios del empleo de los programas de simulación energética que permiten estudiar, proponer y ensayar estrategias de forma dinámica para así llegar a optimizar las actuaciones y poder ofrecer las mejores soluciones.
6. REFERENCIAS
[1]. Directiva 2010/31/EU del Parlamento Europeo y del Consejo, 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios, Official Journal of the European Union L153 (2010)13-35. [2]. K. Fabbri, M. Pretelli., (2014), Heritage buildings and historic microclimate without HVAC technology:
Malatestiana Library in Cesena, Italy, UNESCO Memory of the World, Energy and buildings, Vol.76, 15-31.
[3]. C. Balocco, R. Calzolari., (2008), Natural design for an ancient building: A case of study, Journal of cultural heritage, Vol.9, 172-178.
[4]. F. Stazi, A. Vegliò, C. Di Perna, P. Munfò., (2013), Experimental comparison between 3 different
traditional wall constructions and dynamic simulations to identify optimal thermal insulation strategies, Energy and buildings, Vol.60, 429-441.
[5]. Moschella, A. Salemi, A. Lo Faro, G. Sanfilippo, M. Detommaso., (2013), Historic buildings in
Mediterranean area and solar thermal technologies: architectural integration vs preservation criteria, Energy procedia, Vol.42, 416-425.
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- 291 - [7]. N. Cardinale, G. Rospi, P. Stefanizzi., (2013), Energy and microclimatic performance of Mediterranean
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