Confort climático, Stefan Kramer.

(1)

Corporación de Desarrollo

Tecnológico

Décima tercera conferencia

tecnológica

Stefan Kramer

www.cdt.cl

28 septiembre 2005

(2)

de edificios según criterios

de eficiencia energética y

reducción de costos, una

oportunidad para el

mercado chileno

Dipl.-Ing. Stefan Krämer

Dipl.-Ing. Rolf Sielfeld

Contenido de la conferencia

!

Clima, Medioambiente y potencial de ahorro energético

!

Planificación integral

!

El edificio, un sistema termodinámico

(3)

Integral Ingenieure

Nuestra asesoría a mandantes, arquitectos e ingenieros se centra en:

!

Salvaguardar condiciones óptimas de confort para todo el año

!

Minimizar la inversión y los costos operacionales

!

Reducir al máximo la demanda energética

Empresa dedicada a:

!

Planificación integral de edificios

!

Realización y planificación de seminarios formativos a mandantes, arquitectos,

ingenieros, conserjes, etc.

!

Asesoría energética a comunas, de acuerdo al European Energy Award

A partir del año 2006 también en Chile

Clima, medioambiente y potencial de ahorro

energético en edificios

(4)

Emisiones de CO

₂

y el protocolo de Kyoto

Fuente: Comisión Enquete, Unión Europea

Pronóstico demanda energética

Reducción estabilización

climática

En el año 2040 las emisiones de CO2 deben ser reducidas a la mitad

Emisiones de

CO

₂

Balance de energía en Alemania

Otro uso

Centros de transformación

Energía primaria 100%

Energía terminal 72%

Energía aprovechada 33%

Pérdidas

Fracción c/r a energía aprovechable

Calor habitaciones

Calor de proceso

Transporte Otros, luz y máquinaria

Fuente: Comisión Enquete, Unión Europea

Pérdidas

(5)

Potencial de ahorro de energía primaria en Chile

Consumo energético primario por sector, año 2003

Transporte

27%

Industria y minería

29%

Centros de

transformación

23%

Comercial, público

y residencial

21%

Fuente: Comisión nacional de energía

Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificación integral El edificio – sist.termodinámico Simulación dinámica

50.000 51.000 52.000 53.000 54.000 55.000 56.000 57.000

1999 2000 2001 2002 2003

T

e

ra

c

alor

ía

s

Consumo energético primario sector comercial, público

y residencial

Fuente: Comisión nacional de energía

(6)

Marco regulatorio en Chile y en Alemania

EnEV (Energieeinsparverodnung)

!

Indicadores: Demanda de energía primaria

!

Incorpora aspectos de la construcción y de la

tecnología de climatización diseñada

!

Infiltraciones en el edificio (blower door)

!

Se consideran los puentes térmicos

!

Facilidad para la incorporación de las energías

renovables

!

Desarrollo de un proceso de cálculo simple

!

Energiepass y credencial de demanda

energética

Certificación de comportamiento

térmico para edificios

!

Vía prescripciones

!

Valores límites de cubierta,

muros, ventanas y pisos

!

Vía prestaciones

!

Comparación demanda edificio

propuesto con edificio referencia

Certificación comportamiento térmico de edificios en Chile

Requerimientos

básicos

Vía prescripciones

Vía prestaciones

Demanda edificio

propuesto (DEP)

Demanda edificio

referencia (DER)

Valores límites de

cubierta, muros,

ventanas y pisos

NO

Modificar

diseño

NO

Cumple requisito

básicos de ahorro

de energía

DEP<DER

SI SI

Cumple?

Fuente: MINVU, 2002

(7)

Programas de fomento al ahorro energético y medioambientales en

Chile

!

Programa de Electrificación Rural (PER)

!

Programa Chile País de Eficiciencia Energética

!

Fondos Corfo – Consultorías especializadas (transferencia tecnológica)

!

Créditos Corfo Inversión Medioambiente del KfW

A nivel federal

!

Créditos del KfW en los siguientes

programas:

!

Contracting de sistemas

!

Construir ecológicamente

!

Modernización de residencias

!

CO

₂

– Saneamiento de edificios

!

Generar electricidad fotovoltaica

!

Vor Ort-Beratung (Asesoría in Situ)

En el estado de Nordrhein Westfalen (NRW)

!

REN – Programm (desarrollo, proy. mostrativos,

contracting)

!

“Contrucciones nuevas del futuro – La casa pasiva”,

“Aldeas solares”, “Construcciones solares”

!

Programa marco comunal (European Energy Award)

!

Aprovechamiento del calor (Fernwärmenutzung)

!

Conceptos de energía por sectores productivos

(Branchenenergiekonzepten)

!

Energie Pass

!

Gebäude Check Energie

Programas de fomento al ahorro energético y reducción de emisiones

de gases efecto invernadero en Alemania

(8)

Proceso de estandarización térmica en Alemania

Fracción de edificios en [%]

D

ema

nda

de

ca

le

fa

cción

[kW

h/

m

2

a]

Estado original

Optimización económica en función de la aislación

EnEV desde

2004

Fuente: Wuppertal Institut für Klima,Umwelt und Energie

Estándares de edificación energética y sus costos

D e m a n d a an u a l d e cale fa cció n [kW h /m

2a] _1,5

1,0 0,5 C o sto s as o c ia d o s al ah o rr o [€/kW h ] Casa de bajo consumo Casa pasiva Casa autónoma

Fuente: Wuppertal Institut für Klima,Umwelt und Energie

200 150 100 50 0 0 WSchVO 1995 WSchVO 1995 WSchVO 1995

(9)

Planificación Integral

Aprender de los errores

0 250 500 750 1000 1250

Cálculo demanda (ingeniero)

Cálculo compañía informática

Potencia instalada Demanda real (medida)

Po

te

n

c

ia

[k

W

]

Inversión innecesaria: 20 millones de libras británicas

(10)

0 5000 10000 15000 20000 25000

Inversión Costos

operacionales

Consumo eléctrico

Costo total

€/

a

Ventilación convencional Ventilación optimizada

Costos totales de un sistema de ventilación

Una minimización de la inversión puede resultar en una economía falsa

!

Optimización del edificio desde la etapa de anteproyecto, a través del uso de la

simulación térmica

Objetivos de la planificación integral

!

Inducir una sinergia entre los distintos actores en la planificación

!

Reducción tiempo planificación

!

Minimización riesgo en la planificación

(11)

PLANIFICACIÓN INTEGRAL

USUARIO

ARQUITECTO MANDANTE

OPERADOR INGENIERÍA DE

CLIMATIZACIÓN

INGENIERÍA CIVIL

Esquema de trabajo planificación integral

Fases del proyecto y potencial de ahorro

Prediseño

Bajo Alto

P

o

ten

c

ial de ahor

ro

G

rado

de a

v

a

n

ce del pr

o

y

e

c

to

Diseño Planos de trabajo Ejecución de obra

Fases del proyecto

Control de las medidas de

ahorro

Aplicación estrategias

Consenso ingeniería de detalle

Objetivos

Uso espacio

Clima interior

Concepto energético

Planificación uso espacio

Elección estrategia de ahorro

energético

Recapacitar objetivos

(12)

Reducción de riesgo gracias a una planificación integral

Costos

Tiempo

Fase de diseño y

construcción Fase de operación y uso

Costos acumulados con Planificación Integral

Costos acumulados sin Planificación Integral

Inversión en Planificación Integral

Ahorro gracias a una Planificación Integral

(13)

Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificación integral El edificio – sist.termodinámico Simulación dinámica

La casa – el edificio

Conducción Convección Radiación onda corta Radiación onda larga Calor latente

y su intercambio de energía

Viento

(14)

Causantes de un confort insuficiente

Ruido

11,2%

Temperatura

39%

Luz

15,8%

Calidad del

aire

24,3%

Humo de

cigarrillos

10,0%

El confort y la actividad humana

Sensación térmica [°C]

E

ficien

c

ia

%

(co

n

cen

tr

ació

n

, d

esem

p

e

ñ

o

)

Nächste Folie

C

onfor

t

(15)

La sensación térmica según norma DIN

Temperatura sensible [°C]

Temperatura ambiente [°C]

zurück

C

onfor

t

Humedad recomendada

Humedad rel. interior [%]

Temperatura int. [°C]

Inconfortable húmedo

Inconfortable seco

Confortab

le

Semi-confortable

zurück

C

onfor

(16)

Temperatura ambiente

U

Te

m

per

at

ur

a

par

ed

Temperatura interna: +20[°C]

Temperatura ambiente

Efecto sobre el confort

C

onfor

t

zurück

Zona de confort

V

e

lo

c

ida

d de

l a

ir

e

Temperatura del aire

Movimiento del aire

zurück

C

onfor

(17)

C

onfor

t

¿Cuánto aire fresco necesita el ser humano?

Ventilación m³/h

por persona

Mínimo para:

!

Remoción de gases tóxicos,

fumador extremo

!

Remoción de gases tóxicos,

fumador moderado

!

Remoción de vapores

!

Recambio de CO

₂

!

Abastecimiento de O

2

Ventilación m³/h

por persona

Mínimo para:

!

Remoción de gases tóxicos,

fumador extremo

!

Remoción de gases tóxicos,

fumador moderado

!

Remoción de vapores

!

Recambio de CO

₂

!

Abastecimiento de O

2

Ventilación m³/h

por persona

Mínimo para:

!

Remoción de gases tóxicos,

fumador extremo

!

Remoción de gases tóxicos,

fumador moderado

!

Remoción de vapores

!

Recambio de CO

₂

!

Abastecimiento de O

2

Cargas internas

Konvektion Strahlung Verdunstung

Gesamtwärmeabgabe einer Person

140 120 100 80 60 40 20 0

14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Carga de calor de una persona

Evaporación (calor latente)

Radiación

Convección

Temperatura del aire [°C]

Tr

an

sf

er

ec

ni

a

de c

al

or

[W]

(18)

Cargas internas – Caso oficina 20m², 2 personas, c/u 1 Computador

500 Lux

24,2 W/m²

9,1 W/m²

8,8 W/m²

6,3 W/m²

70%

15,4 W/m²

31,1 W/m²

34,5 W/m²

Total

9,1 W/m²

11,7 W/m²

13,0 W/m²

2 x 130W

Equipos

-11,3 W/m²

12,5 W/m²

2,5 W

cada 100

Lux

cada m²

Iluminación

6,3 W/m²

8,1W/m²

9,0 W/m²

2 x 90 W

Personas

70%

sin

iluminación

90%

100%

Simultaneidad

Clima

(grados-día Santiago: ~1500 Mayo-Sept. z=150 días; Düsseldorf: ~3300 Sept.-Mayo z=273

días, T

_ref

=20°C)

Clima

Clima de Santiago y Berlín

0 1 2 3 4 5 6 7

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Ra di a c ión s o la r hori z ont a l [ k W h /m 2 d ] -5 0 5 10 15 20 25 T a m bi e n ta l [ °C]

IG Santiago [kW h/m2d] IG Berlin [kWh/m2d]

Tamb Santiago [°C] Tamb Berlin [°C]

(19)

Radiación solar sobre superficies verticales en edificios

Clima

Invierno

N

Invierno

N

Verano

N

Verano

N N

Primavera/Otoño

N

Primavera/Otoño

N N

Verano

Otoño/ Primavera

Invierno

S

N

Aprovechamiento solar en invierno y protección en el verano

Clima

21. Junio

21. Diciembre 21.Marzo/Septiembre

(20)

Emplazamiento de un conjunto habitacional

Clima

Pérdidas por transmisión calor de un edificio

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

Techo: 15%

Muro: 15%

Sótano: 7% Ventanas: 31%

!

Marco y vidrio: 19%

!Fugas : 12%

Calefacción: 7%

(21)

Valores U muro exterior en función del espesor aislación

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

Construcción: !Enlucido interior

!Muro

!Aislación

!Enlucido exterior

2 cm 24 cm 040 W/m°K 2 cm

Construcción: !Enlucido interior

!Muro

!Aislación

!Enlucido exterior

2 cm 24 cm 040 W/m°K 2 cm

Elementos masivos y su capacidad de almacenamiento energético

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

Aislación Protección solar

Ventana norte

Masa de almacenamiento de calor

(22)

Elementos masivos y su capacidad de almacenamiento energético

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

Sensación térmica [°C]

Hora del día

Ofici na es

te, co nst. l

igera

Oficin a este

, const . masi

va

Tem pera

tura am

bien tal

Puentes térmicos

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

Lozas balcón

Loza sin aislación

Loza aislada

Temperatura [°C]

Montaje ventana

Loza sin aislación

Loza aislada

Sin aislación

Aislación sin empalme

Aislación con empalme

Ventana en sector aislado

(23)

Tipos de vidriado

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

U

Transmisión de calor

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

Acristalamiento aislado

Pérdidas por periodo de calefacción 250 kWh/m²=25 l comb./m²

Acristalamiento de protección térmica (gas argón)

Pérdidas por periodo de calefacción 110 kWh/m²=11 l comb./m²

U = 3,0 W/m²°K U = 1,3 W/m²°K

Factor de transmisión

de luz = 81%

Factor-g = 77%

Temperatura de

pared = 8°C

Temp. Interior = 20°C

Temp.

exterior

= -10°C

Factor de transmisión

de luz = 76%

Factor-g = 62%

Temperatura de

pared = 15°C

Temp. Interior = 20°C

Temp.

exterior

= -10°C

(24)

Protección solar – tecnologías de sombramiento

Físi

ca de l

a constr

ucci

ón

_Elementos

movibles

Elementos

fijos

Invierno Verano

Direccionamiento luz solar

Reflexión luz de día

Persianas exteriores e interiores

Toldo Celosías

Ventilación por medio de abertura ventanas

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

> 40,0

Ventana opuesta abierta

9,0 – 15,0

Ventana abierta entera

5,0 – 10,0

Ventana media abierta

0,8 – 4,0

Ventana inclinada

0,1 - 0,3

Puertas y ventanas

cerradas

Recambio de aire por

hora

Grado de abertura

(25)

Ventilación forzada – Principio de funcionamiento

Te

cn

ol

og

ía

s

de

clima

tiza

ció

n

Ventilación forzada – Tipos de ventilación

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

Ventilación extractiva

sin recuperación de

calor

Ventilación con

recuperación de calor

(26)

Calefacción – Generación de calor

Te

cn

ol

og

ía

s

de

clima

tiza

ció

n

Calderas de baja temperatura

Calderas de condensación

Calefacción – Cuerpos calefactores

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

Convectores

Placas

Radiador

Losa radiante

Convección

Radiación

!

Alto grado de radiación

!

Bajo contenido de agua

!

Alto grado de convección

!

Alto contenido de agua

!

Convección máxima

!

Bajo contenido de agua

!

_!

Alto grado de radiación

_{Alta masividad de}

acumulación energética

(27)

Calentamiento de agua - Sistemas solare térmicos

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

Refrigeración

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

(28)

Intercambiadores subterráneos – Sondas geotérmicas

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

Mallas capilares y hormigón de núcleo activado

Te

cn

ol

og

ía

s d

e clima

tiza

ció

n

(29)

Simulación dinámica

Decisión

La simulación térmica de edificios como herramienta para la

planificación

Input

• Geometría del edificio

• HVAC

• Usuario

• Clima

Modelación - simulación

Output

• Clima interior

• Recambio de aire entre zonas

• Consumo en

calefacción/refrigeración

• Demanda energética

Flexibilidad en el diseño:

• Materiales (madera, ladrillos, …) • Construcción (aislación, …) • Conceptos de calefacción /

refrigeración

• Elementos de sombra (interior, exterior, persianas, celosías) • Condiciones internas (régimen de

uso, computadores, …) • Operación (ventilador, luz, …) • Eficiencia mecánica • Orientación del edificio

• Diseño arquitectónico (techo vidriado, fachada de dobel vidriado, …) • Emplazamiento (Santiago, Aachen,..)

Simu

la

ció

n

(30)

Edificio de oficinas en Aachen, un ejemplo de planificación integral

Simu

la

ció

n

Planos del arquitecto (Hahn Helten Architekten, Aachen)

Simu

la

ció

n

(31)

Simu

la

ció

n

"

#

$

%

&

'

(

)

*

+

,

--

"

#

$

%

Confección modelo 3D (escala 1:1)

- Asignar construcciones y materiales

- Cálculo efecto de sombras

- Modelación CAD

Asignación elementos de construcción

Simu

la

ció

n

(32)

Simu

la

ció

n

Concepto de calefacción y refrigeración

Sondas geotérmicas

Hormigón de

núcleo activado

Bomba de calor

Estanque acumulador

Resultados – Sensación térmica

Temperatura ambiente [°C]

Te

m

peratu

ra

sen

sib

le [

°C]

Existe sobrecalentamiento. Decisión: analizar ventilación nocturna, efecto de

persianas, vidriado de protección solar, sistema de refrigeración

Simu

la

ció

n

(33)

Ventilación nocturna

Sensación termica [°C]

Time

No hay un mejoramiento considerable producto del enfríamiento nocturno de la masa

Simu

la

ció

n

Optimización de los elementos de construcción

!

Vidriado simple, doble (termopanel) o triple. Marcos de aluminio, acero, madera,

plástico. Vidrios de protección térmica o solar.

!

Persianas exteriores o interiores. Celosías.

!

Aislación y materiales alternativos.

Simu

la

ció

n

(34)

Optimización demanda energética

100% 100% 100% 100%

84%

72%

68%

54%

53%

40%

43%

22%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% A h o rro re la ti v o Variante C Variante B Variante A

Simu

la

ció

n

Salvaguardia del clima interior

304

147

0

100

200

300

400

500 C

a

nt

id

a

d

de

hor

a

s

>24°C >25°C >26°C >27°C >28°C >29°C >30°C

Sensación térmica

Temperatura aire

Rango temperaturas

Simu

la

ció

n

(35)

Simu

la

ció

n

Salvaguardia del clima interior

147

100

21

0

0 100 200 300 400 500

Ca

n

ti

d

a

d

de h

o

ra

s

>24 >25 >26 >27 >28 >29 >30

Persiana exterior

Vidriado de protección solar Refrigeración en losa

Referencia

Rango temperatura

Oficina norte

Balance de energía

Consumo energía primaria:

Electricidad:

45 kWh/m²

Calefacción:

40 kWh/m²

Refrigeración:

10 kWh/m²

Total:

95 kWh/m²

Electricidad

[kWh/m²a]

Calefacción

[kWh/m²a]

Refrigeración

[kWh/m²a]

Total

[kWh/m²a]

45

40

10

95

120

190

90

400 Edificio estándar

Edificio en Aachen

(36)

Planificación integral

!

Superficie:

2.100 m²

!

Demanda calefacción:

40 kWh/m²a

!

Electricidad:

45 kWh/m²a

!

Electricidad (refrigeración): 10 kWh/m²a

!

Costos totales:

2,7 Mill. €

Resultados concretos…

Concepto de diseño arquitectónico

!

Diseño compacto: A/V=0,37

!

Porporción superficie ventanas: ~30%

!

Envolvente aislada: 200 mm,

k=0,35 W/m°K

!

Construcción masiva con alta

proporción de elementos prefabricados

Concepto de diseño técnico

!

Sondas geotérmicas para calefacción

y refrigeración

!

Bomba de calor eléctrica

!

Hormigón de núcleo activado como

cuerpo calefactor

!

Sistema de control

!

Control de la iluminación artificial en

función del grado de luminosidad natural

Eficiencia energética en la planificación integral

Sistema de control BUS y operación

!

Control sistema de calefacción y

refrigeración

!

Control sistema de ventilación

!

Control de la iluminación aritificial

!

Sistema contra robo (Alarma)

!

Management de energía

(37)

Eficiencia energética en la planificación integral

Management de energía

!

Cálculo y evaluación de indicadores

energéticos

!

Control de costos

!

Monitoreo operación de equipos

!

Identificación y evaluación de medidas de

ahorro

0 50 100 150 200 250 300

Estándar anterior WSchVO 1984 WSchVO 1996 Casas de bajo consumo

Casa Pasiva

Indicadores energéticos [kW

h

/m

2a]

Electricidad residencial Electricidad ventilador Agua caliente Calefacción

Nuestros proyectos

Glaskubus,

Aachen 140 m²,

año 2000, 2 mill. €

Spree Karree, Berlin

21.000 m², año 2003

Maritim Hotel, Düsseldorf

72.000 m², año 2007, 80 mill. €

Finanzamt Aachen,

26.000 m², año

2005, 35 mill. €

(38)