Margarita san valentín. memoria tfm

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[ fase I ] EN GRUPO

ACVpágina 52

[ fase II ] INDIVIDUAL

SIMULACIONES E INERCIA

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El presente Trabajo Final de Máster representa un esfuerzo en el cual participaron, directa o indirectamente, distintas personas y entidades a las que creemos necesario mencionar en estas primeras líneas.

En primer lugar agradacecer a la Cátedra de Madera y a la Universidad de Navarra por la oportunidad otorgada gracias al concurso PFC a través del cual hemos tenido acceso al Máster en Diseño y Gestión Ambiental de Edificios (MDGAE).

Dentro del entorno del Trabajo Fin de Máster, agradecer la inestimable ayuda aportada por Energiehaus y la empresa de ingeniería Progetic. Desde el director y profesor del MDGAE, Micheel Wassouf, pasando por todo su equipo formado por Angelika Rutzmozer, Martín Amado y Marta Trigás; además de los ingenieros que integran la empresa Progetic, en especial atención a Oliver Style.

De igual modo destacar el empuje inicial en el estudio de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) aportado por el arquitecto experto en la materia Gerardo Wadel.

Agradecimientos

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Nota aclaratoria

En este escrito a modo introductorio pretendemos explicar las premisas a las que se ciñen el Trabajo Final de Máster, de aquí en adelante TFM, correspondiente al Máster en Diseño y Gestión Ambiental de Edificios (MDGAE) impartido por la Escuela de Arquitectura de la Universidad de Navarra y realizado en el curso académico 2014-2015.

El presente TFM se estructurará a partir de dos fases claramente diferenciadas: una primera realizada conjuntamente entre Margarita de San Valentín y Laura Tur, a la que seguirá una segunda fase realizada de manera individual.

En la primera de las etapas del TFM se ha realizado un Análisis de Ciclo de Vida, al cual nos referiremos como ACV, enfocado a la edificación, concretamente a una vivienda unifamiliar aislada en parcela y

[ FASE I ] EN GRUPO

Análisis económico y de impacto ambiental de una vivienda objeto de estudio con el estándar PH Premium y con CTE en tres indicadores: € [LCC], kgCO2 y MJ [LCA].

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Estudio comparativo de dos vivienda objeto de estudio, un caso rehabilitación y un segundo de obra nueva a través de una simulación estática, una simulación dinámica y monitorización con datos reales.

Análisis de la influencia de la Inercia térmica en las vivienda objeto de estudio con simulación dinámica.

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demanda del edificio.

El lugar físico donde se ha llevado a cabo la totalidad del TFM corresponde al despacho Energiehaus de Barcelona, el cual basa su ejercicio profesional en el desarrollo de edificios pasivos según el estándar Passivhaus aplicado a climas cálidos. El equipo dirigido por Micheel Wassouf y su socia Angelika Rutzmoser, ambos arquitectos, está compuesto además por otra arquitecta y un arquitecto técnico. El estudio trabaja conjuntamente con un equipo de ingenieros asociados, Progetic, con los que realizan la mayoría de proyectos.

situada en la provincia de Gerona a la que denominaremos Casa-P. Gracias al hilo conductor de la vivienda unifamiliar, se han llevado a cabo estudios ACV de forma paralela y de mayor profundidad en aquellos elementos constructivos que suponen un mayor impacto ambiental en una construcción tipo Passivhaus, como son los aislamientos térmicos y las carpinterías. De igual modo se han estudiado los plazos de amortización económica y el impacto que representa una construcción según el estándar Passivhaus en la superficie útil.

Por lo que respecta a la segunda fase, se ha seguido dentro del ámbito Passivhaus pero enfocado desde otro punto de vista de estudio. En primer lugar, se escogen dos viviendas; un proyecto de obra nueva, la casa Palau de la cual se encargará Margarita San Valentín y una construcción rehabilitada, la casa MZ que será objeto de estudio de Laura Tur. El objetivo será realizar una comparación entre los resultados de simulación a través de las herramientas PHPP y Design Builder, para finalmente establecer relaciones entre ambos y los datos de monitorización. Posteriormente, plantearemos un estudio de cómo la influencia de la inercia de los elementos constructivos afecta a la

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[ fase I ] ACV EN GRUPO

[ FASE I ] EN GRUPO

Análisis económico y de impacto ambiental de una vivienda objeto de estudio con el estándar PH Premium y con CTE en tres indicadores: € [LCC], kgCO2 y MJ [LCA].

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Índice Agradecimientos

Nota aclaratoria

[ FASE I ] ACV. EN GRUPO

1. INTRODUCCIÓN 10 1.1. Objeto y objetivos 11 1.2. Justificación e interés del tema 14 1.3. Metodología del desarrollo 15 2. DESARROLLO DEL TRABAJO 18 2.1. Metodología 19 2.2. Fase de Fabricación (hoja de cálculo) 21 2.3. Fase de Uso (PHPP) 24 2.4. Comparativas 28 3. EVALUACIÓN DETALLADA ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS 30 3.1. Estudio de aislantes térmicos 31 3.2. Estudio de carpinterías 39 4. AMORTIZACIONES 44 4.1. Amortización económica 44 4.2. Amortización de superficie 45 5. CONCLUSIONES 49

6. BIBLIOGRAFÍA 50

7. ANEXOS 52 7.1. Documentación Casa-P 7.2. Fase de fabricación. Cálculo propio 7.3. Fase de Uso. PHPP 7.4. DAP 7.5. Datos de SimaPro

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FASE I. ACV

1Introducción

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1. INTRODUCCIÓN

El objetivo del presente estudio es analizar desde el punto de vista económico y medioambiental una misma geometría con dos vestidos diferentes. El primero siguiendo el estándar Passivhaus (PH) y el segundo cumpliendo el Código Técnico de la Edificación (CTE). Dentro del vestido del CTE, estudiaremos dos variantes: la primera para unas transmitancias orientativas, a las que nos referiremos como U-orientativas1 y una segunda variante para transmitancias límites, a las que llamaremos U-límites1.

El motivo de que estudiemos la vivienda en dos rangos de transmitancias es debido a que el CTE establece unos valores límites por encima de los cuales no puede existir ningún elemento constructivo, puesto que si no, no se estaría cumpliendo la normativa. Sin

1.1 Objeto y objetivos

embargo, cuando se introducen dichos valores límites en programas informáticos exigidos también por la normativa como es la herramienta unificada Lider-Calener, existe la posibilidad de que estas transmitancias límites sobrepasen la demanda límite de energía exigida en el Documento Básico de Ahorro de Energía. Por otro lado, si desde un primer momento optamos por los valores orientativos, es muy probable que no nos encontremos con dicho problema a posteriori.

El objeto de estudio escogido es la Casa-P una vivienda unifamiliar aislada en parcela urbana situada en la provincia de Gerona que actualmente se encuentra en fase de proyecto. Ésta se está proyectando con el estándar Passivhaus Premium, por tanto partiremos de estos datos y adaptaremos el proyecto para cumplir las exigencias energéticas del CTE, más laxas que la primera en cuestiones energéticas. El concepto Premium son unos nuevos valores que están surgiendo

1 Código Técnico de la Edificación, DB-HE

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en el entorno Passivhaus a través del cual se pretende designar a aquellas viviendas Passivhaus autosuficientes, es decir, desconectadas de la red.

El terreno en el que se implanta la edificación presenta un desnivel pronunciado, hecho que conlleva la construcción de una planta sótano que tendrá las funciones de garaje, almacén, ubicación de instalaciones y acceso a la vivienda. Al margén del acceso, el resto de estancias estarán fuera de la envolvente térmica por lo que no serán consideradas a efectos de cálculo.

La vivienda consta de 363,74 m² de superficie útil. La mayor parte de esta superficie se distribuye en dos plantas sobre rasante. En la planta baja se ubican los espacios de día, un salón - comedor - cocina (todo en un mismo ambiente separado por un pequeño desnivel), así como un aseo de cortesía, un vestidor y un área de servicios. Si accedemos a la planta superior encontramos la zona de noche repartida en tres dormitorios y dos baños. Esta planta adquiere un mayor volumen que la planta baja gracias a la sección a dos aguas presente a lo largo de toda la vivienda.

Por lo que respecta a los materiales, la separación en el uso de las plantas se representa en fachada gracias a una planta baja a base de hormigón armado visto que sirve de zócalo visual a una primera planta revestida con acabado final de madera de alerce.

FASE I. ACV

Esta distinción también se aprecia en los aislantes dado que el hormigón va acompañado de Poliestireno Expandido (EPS) mientras que la planta superior, de igual modo que la cubierta, están conformadas por un panel sandwich con un núcleo de aislante de celulosa.

El objetivo principal en el diseño de la vivienda es que se trate de una construcción autosuficiente, desconectada por completo de la red. Por esta razón, estamos ante una volumetría compacta en la que se ha procurado mantener una orientación claramente norte-sur, situando en la fachada sur amplias aberturas que faciliten la captación solar en invierno. Asimismo, gran parte de la superficie de cubierta se ha destinado a la colocación de paneles solares fotovoltaicos los cuales se verán apoyados por un generador eléctrico situado en la planta sótano para aquellos días de mayor demanda.

Como toda Passivhaus, la Casa-P presenta un sistema de calefacción a través del aire de ventilación el cual será calefactado mediante una batería eléctrica y acompañado de un recuperador de calor. Por motivos de higiene, esta recuperación de calor funcionará con aire 100% exterior, esto quiere decir que el aire que se introduzca en la vivienda no se cruzará físicamente en ningún momento con el aire que se extraiga del interior, pero sí aprovechará su temperatura.

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1. INTRODUCCIÓN

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FASE I. ACV

Actualmente todos los esfuerzos en materia de construcción sostenible están enfocados principalmente al ahorro energético en la fase de uso. Contentándose con la reducción de impactos sólo en esta fase y obviando el resto del proceso que supone una nueva construcción o una rehabilitación.

Es interesante que una vez logrado un cada vez menor consumo energético se tenga un conocimiento cada vez mayor de cuál es impacto ambiental global. Puede que los esfuerzos y el interés en el ahorro energético empezara por cuestiones medioambientales pero actualmente su logro se debe al ahorro económico que supone la reducción de la energía, cada vez más escasa y cara.

Del mismo modo, es importante volver a enfocar el problema con una visión global pero siempre teniendo en cuenta si ésta es viable económicamente ya que los contratistas y clientes primaran siempre el punto de vista económico antes que el sostenible.

Un contratista puede no estar

dispuesto a aumentar el espesor de aislamiento de su construcción, ya que la pérdida de superficie útil que ocuparía el nuevo aislante haga que venda viviendas de menor superficie o que pierda metros cuadrados útiles en parcela. Puede ser también que el ahorro energético nunca llegue a amortizar la pérdida de esos metros si la construcción se levanta en una zona donde el precio por metro cuadrado sea elevado. En nuestro caso de estudio, esta problemática no se ve de manera tan acusada ya que se trata de una vivienda unifamiliar donde el propietario puede modificar la línea de fachada de la vivienda sin problema alguno sobre la parcela. Sin embargo, en el caso de una parcela urbana, el grueso de aislante añadido siempre restará superficie útil a la construcción dado que no se podrán sobrepasar los límites de parcela.

Incluir la fase de construcción (producción de los materiales y puesta en obra), permitirá evaluar si el supuesto beneficio económico que supondría el ahorro energético es superior al coste de producir materiales más tratados o derivados del petróleo. Por ejemplo, incrementar el espesor del aislante de una vivienda puede mejorar el comportamiento térmico de edificio durante su fase de uso y por tanto reducir la emisiones de CO2 al consumir menos energía. Pero si este aislante es, por ejemplo, un derivado del petróleo puede ser que producir este material suponga un número elevado de emisiones de CO2 que no llegue a compensar la reducción de kgCO2 que supondría el ahorro

1.2Justificación del tema

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1. INTRODUCCIÓN

El objetivo es partir de un enfoque rico y amplio, por tanto bastante ambicioso, para alcanzar una discusión completa. Tristemente tenemos un tiempo y unos recursos limitados, por tanto acotaremos los indicadores y dejaremos cuestiones abiertas para futuras investigaciones.

El objetivo es obtener resultados en los siguientes aspectos:

- Beneficios de Impacto ambiental (LCA)

energético durante la fase de uso.

El análisis de ciclo de vida es también útil para acabar con las costumbres de usar ciertos materiales por inercia, obviando que seguramente haya alternativas más sostenibles y económicas.

Por ello este estudio es interesante en tanto en cuanto permite cuantificar el impacto medioambiental global realizando una contabilidad completa del consumo de recursos y de la emisión de residuos asociados al ciclo de vida total del edificio, resumiéndose en sus fases de fabricación y uso.

1.3Metodología del desarrollo

- Beneficios económicos (LCC)

En este estudio se elegirán tres indicadores principales para poder analizar y comparar los resultados:

- Emisiones de CO2 (kgCO2)

- Energía embebida (MJ)

- Coste económico (€)

Se eligen estos indicadores principales pues son los más representativos para el Análisis de Ciclo de Vida (LCA: Life Cycle Assessment) y el Análisis de Ciclo de Costes (LCC: Life Cycle Cost).

A lo largo de la evolución del concepto de sostenibilidad, los indicadores más considerados han sido energía embebida y emisiones de CO2. Entendemos por energía embebida a la energía total consumida para la construcción de un edificio. Contemplando así la energía empleada en los procesos de fabricación de los productos o materiales utilizados para la construcción, la energía consumida por el transporte de estos materiales a obra y la energía utilizada por la maquinaria en la ejecución de las distintas unidades de obra. El concepto de emisiones de CO2 suele denominarse también como huella de carbono. De este modo, la huella de carbono de un edificio cuantifica el total de los Gases de Efecto Invernadero (GEI) emitidos a consecuencia de la construcción de dicho edificio medido en masa de CO2 equivalente.

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Contemplados estos aspectos, con esta investigación se quiere conocer cuál es el impacto ambiental que representa la construcción de la vivienda objeto de estudio y si ésta es viable económicamente. Es decir, conocer el coste ambiental y económico real de los dos vestidos. Probar si la inversión inicial producida en la fase de producción de materiales es amortizada con el ahorro energético de la fase de uso, gracias a una mayor inversión en materiales e instalaciones más eficientes y probablemente más caros en la fase inicial del proyecto. También será objeto de estudio saber cuánto tardará en recuperar lo invertido para comprobar su viabilidad económica a través de una amortización simple. Además de una amortización en superficie para conocer con exactitud en el caso de la Casa-P cuántos metros cuadrados se pierden por causas del aislante.

Para realizar estos análisis de impacto de la fase de fabricación, existen muchas bases de datos, algunas con información más detallada en algunos aspectos o más fiable o más enfocada a ciertas partes del mundo, climas o procesos.

Por ello no existe una base de datos universal e infalible sobre la que podamos apoyarnos. También existen gran cantidad de programas especializados, algunos más potentes y caros y otros más básicos pero de acceso gratuito. Sin embargo estas potentes herramientas no nos dejan introducir exactamente el material que deseamos, funcionan como cajas negras y están más enfocadas al análisis de

un único producto como podría ser el caso de una Declaración Ambiental de Producto (DAP) en lugar de un proceso constructivo como trata nuestro caso, siendo éste un sistema más complejo que requiere la posibilidad de interpretar y manejar directamente estas diversas bases de datos en lugar de generar un informe automatizado que resulte de una introducción de datos mecanizada.

Por ello es más interesante que realicemos una labor artesanal, creando nuestro propio traje a medida. Realizaremos nuestro propio cálculo con las variables antes mencionadas apoyándonos en diferentes bases de datos hasta lograr el material más exacto posible. Como el tiempo y los recursos que tenemos son limitados partiremos de tres fuentes principales de información:

- La base de datos BEDEC del ITeC

- Las Declaraciones Ambientales de Producto (DAP), dado que presentan unos datos ambientales rigurosos y contrastados, pero no económicos, los precios se complementarán con el iTeC),

- La base de datos ICE de la Universidad de Bath

Nos apoyemos en una hoja de cálculo Excel para introducir nuestros valores. De esta forma podremos realizar nuestro propio razonamiento y sacar nuestras propias reflexiones obteniendo unas conclusiones más afinadas, controlando más el origen de los datos y obteniendo un análisis más cercano a la realidad de

FASE I. ACV

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nuestro caso de estudio. Evitamos así la caja negra que son los programas de análisis de ciclo de vida como SimaPro o Gabi.

Realizaremos primero un estudio cuantitativo y un segundo cualitativo. El primero nos dará una visión global de la situación y nos permitirá enfocarnos en las partidas o materiales más conflictivos para luego estudiarlos más en detalles en un estudio cualitativo.

Elegimos como punto de partida la base de datos del ITeC (Instituto de la Tecnología de la Construcción) ya que es la base de datos más completa y más próxima a nosotros geográficamente. Lo que resulta especialmente interesante de esta información es que cada material viene desglosado por partidas y a algunas partidas se les ha asignado un peso en kg o un volumen en m3. A partir de esa información nosotros podemos generar un análisis simplificado. El arquitecto es un gestor de materia y es por tanto esencial que sepa que cantidades está manejando y que repercusión tienen, es decir saber cuanta materia tiene entre manos. Trabajando con los datos en Kg o m3 sabemos exactamente cuanto material estamos manejando. Si sólo trabajásemos en m² introduciríamos márgenes de error importantes. Este fue el caso de los aislante, los datos venían en m² sin tener en cuenta los espesores, para estos casos ponderamos los datos para saber cuanto impacto supondría 1m3 de ese material y luego aplicarlo a los m3 de ese material que tuviésemos en

el edificio.

La base de datos del ITeC sólo recoge los materiales de construcción más comunes de nuestro entorno geográfico. Para el resto usamos otras bases accesibles para nosotros como es la base de datos ICE (Inventory of Carbon and Energy) de la Universidad de Bath. Aunque nuestra principal fuente de información alternativa al ITeC fueron los DAP o EPD (en sus siglas inglesas, Environmental Product Declaración). Algunos DAP’s daban datos desconcertantes como fue el caso de los aislantes y las carpinterías. Por ello realizamos un estudio comparativo aparte para obtener el dato más coherente posible. Presentaremos los resultados de este estudio más adelante.

Para la fase de uso usaremos la simulación estática de la herramienta Passivhaus, PHPP.

1. INTRODUCCIÓN

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2Desarrollo del trabajo

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2.1 Metodología

2. DESARROLLO DEL TRABAJO

El objeto de análisis es la construcción de una vivienda unifamiliar.

La unidad funcional será un espacio de uso residencial con las siguientes condiciones de confort:

- Verano 25ºC (máximo)

- Invierno 20ºC

- Horario de funcionamiento: 24h

En cuanto a la definición de límites se tendrán en cuenta las siguientes dos fases:

- fase de fabricación (producción de los materiales de la cuna a la puerta)

- fase de uso (a 50años)

Las siguientes fases son igualmente interesantes para nuestro análisis pero tiene una menor repercusión en el global y existen menor cantidad de información

accesible, por tanto las dejaremos de momento en un segundo plano para futuras investigaciones:

- Transporte

- Mantenimiento

- Fin de la vida útil (reutilización, reciclado, deconstrucción o demolición)

- Disposición final de los residuos

Para la fase de fabricación tuvimos en cuenta lo siguiente:

La definición de los criterios que se tendrán en cuenta para los flujos de inputs serán:

- Materias primas

- Consumo de agua

- Consumo de energía

para los flujos de outputs serán:

- Productos

- Emisiones de CO2

- Residuos

Nuestro esquema de caja en el que las flechas representan flujos y los cuadrados sistemas para la fase de fabricación será el siguiente:

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Escogimos para nuestro estudio las partidas más significativas en cuanto a dos criterios: primero su presencia material en la obra y segundo por su influencia en la eficiencia energética y las posibles diferencias para los vestidos de PH, CTE U-Orientativos y CTE U-Límites. Las partidas que analizaremos serán:

1. Cimentación

2. Estructura

2.1 Madera

2.2 Hormigón

2.3 Metálica

3. Cubierta

3.1 Acabado Exterior

3.2 Aislante

4. Envolvente

4.1 Acabado exterior

4.2 Aislante

5. Particiones Interiores

6. Acabados

6.1 Pintura

6.2 Trasdosados

6.3 Pavimentos

6.4 Falso techo

7. Aislantes

8. Activas

8.1 Ventilación principal Aire-Aire (con batería)

8.2 Ventilación secundaria (chimenea)

8.3 Agua Caliente Sanitaria (AC S) con bomba aeroterma

8.4 Electricidad con paneles fotovoltaicos

9. Mobiliario de baño

Las partidas de cimentación, estructura y acabados fueron escogidas para el análisis por el volumen que representan en el total de la obra. Las partidas de envolvente y cubierta por su contenido en aislante y carpinterías, uno de los principales elementos para lograr una buena eficiencia energética y por la tanto la principal diferencia entre los diferentes vestidos que analizaremos.

Separamos la partida de aislante del resto en el documento Excel para facilitar nuestras operaciones, pues ésta será la principal diferencia entre nuestro vestido Passivhaus y el CTE.

Para la fase de uso se obtendrán los datos de la simulación de la herramienta Passivhaus, PHPP.

Nosotras debido al tiempo y la información accesible escogeremos tan sólo dos de estos indicadores el de potencial de calentamiento global (kgCO2) y la energía embebida (MJ). Ya que estos son los indicadores más significativos para estos procesos.

FASE I. ACV

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2.2 Fase de Fabricación (hoja de cálculo)

2. DESARROLLO DEL TRABAJO2. DESARROLLO DEL TRABAJO

Como ya hemos dicho anteriormente realizamos nuestro propio cálculo de emisiones de CO2 en KgCO2, energía embebida en MJ y coste en € con nuestra propia hoja de Excel.

A continuación presentaremos los resultados correspondientes a la fase de fabricación para los dos aislantes analizados: celulosa y EPS y en los tres vestidos elegidos: Passivhaus, CTE U-Orientativos y CTE U-Límites. En apartados posteriores mostraremos los resultados análogos para la fase de uso y finalmente juntaremos ambas fases para ofrecer resultados netos y ver si la eficiencia energética compensa económicamente y medioambientalmente o si una opción intermedia es la mejor solución.

Recordemos que la fase de fabricación en nuestro estudio comprende el proceso de fabricación de materiales o productos de construcción desde la cuna a la puerta de la fábrica.

A continuación mostramos el resultado gráfico de la fase de fabricación correspondiente al aislamiento de celulosa desglosado por partidas en los tres vestidos analizados: Passivhaus (PH), CTE U-Orientativos y CTE U-Límites. Las partidas de movimientos de tierras, estructura, acabados y mobiliario son idénticas en los tres casos ya que PH y CTE se diferencia en los aislantes y las carpinterías, comprendidas dentro de las partidas de envolvente y las medidas activas.

A grandes rasgos se puede observar que en cuestiones económicas la partida más importante es la de estructura seguida de envolvente y acabados. Esto se debe a la cantidad de material que comprenden, son las partidas más grandes de la obra. En el caso de CTE U-Límites la estructura es más cara que la envolvente en comparación a los dos casos anteriores, esto se debe a la disminución de aislante que esta solución propone.

2.2.1 Fase de fabricación- Celulosa

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Dentro de las partidas donde si se observa diferencia se sigue una progresión lógica descendente, siendo la más cara la opción de PH y la más económica el vestido CTE menos exigente, el CTE U-Límites.

El indicador de energía embebida muestra la misma tendencia que el económico. Las partidas más importantes vuelven a ser las de estructura, acabados y envolvente por las razones anteriormente escritas. Las partidas menos significativas son: mobiliario, particiones interiores y movimiento de tierras. Se observa como el vestido Passivhaus se diferencia notablemente del resto en las partida de envolvente. Esto se debe

a mayor presencia de elementos en la construcción y a que la carpintería, que como explicaremos más detalladamente en el apartado 4.2 carpinterías, usamos un DAP que presenta unos valores altos de energía embebida y más bajos en KgCO2 que el empleado para CTE.

La gráfica de emisones de CO2 muestra algunos cambios significativos como que la partida más importante después de estructura son activas y acabados. Las menos impactantes son mobiliario y particiones interiores, seguidos de movimientos de tierras y envolvente. La envolvente tiene menor impacto porque las DAP de carpinterias fijan

FASE I. ACV

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Los resultados obtenidos en el análisis de vida sustituyendo el aislante de celulosa por EPS muestran la misma tendencia que los gráficos anteriores, por tanto sólo los presentaremos y no los describiremos.

Sin embargo resulta interesante realizar una comparativa en porcentaje que muestre la diferencia entre ambas opciones que mostraremos en el apartado 2.4 comparativas.

valores inferiores que los de MJ. También llama la atención que los vestidos CTE tienen más emisiones de CO2 que PH, invirtiendo la progesión lógica que hemos observado hasta ahora, esto se debe a las carpinterías que como ya hemos mencionando anterioremente explicaremos detalladamente en el apartado 3.2.

El último gráfico de este apartado muestra para los tres parámetros analizados: €, MJ y KgCO2, los valores netos de los tres vestidos. Se observa claramente que el vestido PH es el más caro y más contaminante en su fase de fabricación, seguido de CTE U-Orientativos y CTE U-Límites. Esto es lógico ya que la construcción de una vivienda tipo Passivhaus requiere más materiales y unas activas más sofisticadas que construcciones menos exigentes energéticamente.

Cabe destacar como los valores en MJ parecen más significativos que el resto pero esto se debe a que los costes económicos se miden en €, la energía embebida en MJ y el GWP en KgCO2. No son comparables por tanto es difícil saber cuál es más importante. La importancia de uno u otro indicador dependerá de las prioridades del estudio o del cliente.

2.2.2 Fase de fabricación- EPS

2.3 Fase de Uso (PHPP)

Para facilitar la recopilación de datos y homogeneizar los datos de origen, partimos de la simulación estática del Instituto Passivhaus, el PHPP, para obtener

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FASE I. ACV

los valores de uso, A continuación mostramos los resultados de forma gráfica.

La fase de uso se proyectó a 50 años, veremos en un apartado cuánto tiempo tardaríamos en recuperar nuestra

2.3.1 Fase de Uso- Celulosa

a fase de uso muestra una tendencia inversa a la fase de fabricación. El vestido menos impactante es el PH, esto es lógico ya que es la solución constructiva más eficiente energéticamente. Cabe destacar como los datos obtenidos en emisiones de CO2 y € son prácticamente insignificantes en comparación con los del CTE.

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2.3.2 Fase de Uso- EPS

Se observa la misma el mismo comportamiento con el aislante de EPS. Au

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FASE I. ACV

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2.4 Comparativas

En este apartado podremos ver por finalmente la fase de fabricación se compensa con la de uso en los vestidos de mayor eficiencia energética y si por tanto son más interesantes en términos económicos y ambientales.

Los gráficos corroboran que el vestido Passivhaus, aún en su vertientes más exigente, el Passivhaus Premium, es más rentable en los tres indicadores y para los dos aislantes analizados: celulosa y EPS.


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3Evaluación detallada de elementos constructivos

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Dado que nos encontramos en el ámbito de estudio de una vivienda de estándar Passivhaus, los materiales de aislamiento térmico adquieren una gran importancia. Al margen del trabajo realizado a través de las mediciones aplicados a la hoja de cálculo y que nos arrojan resultados acerca del ACV de la Fase de Fabricación de la casa-P, hemos llevado a cabo una comparación genérica entre los diferentes aislamientos térmicos más relevantes que ofrece el mercado de la construcción. Estos materiales quedan enumerados a continuación:

1.- Poliestireno extruido (XPS) para cubierta.

2.- Vidrio celular para cubierta (tipo Foamglass).

3.- Corcho triturado para cubierta.

4.- Corcho negro (tipo Cortica).

5.- Fibra de madera para cubierta (tipo Pavatex).

6.-Algodón reciclado (tipo Geopannel).

3.1 Estudio de aislantes térmicos

3. EVALUACIÓN DETALLADA

7.- Lana de roca para cubierta (tipo Rockwool).

8.- Poliestireno expandido (EPS) para paredes (tipo Neopor).

9.- Lana de roca para paredes (tipo Rockwool)

10.- Celulosa insuflada.

11.- Poliestireno extruido (XPS) para solera.

Por tratarse de un estudio más detallado, la base de datos utilizada – casi en la totalidad – a nivel de indicadores medioambientales son las Declaraciones Ambientales de Productos (DAP) específicas para cada aislante.

Por lo que respecta a los valores económicos, en un inicio se barajaron los datos del banco BEDEC del iTeC. Sin embargo, al avanzar en la comparativa de precios pudimos apreciar como el de la base de datos del iTeC utilizaba unos valores en los que se perjudicaba notablemente a aquellos aislantes más innovadores como es el caso de la celulosa. El precio de partida del BEDEC (Código: B7CMUM06) es de 25,70 €/m² para 3 cm de aislamiento. Contrarrestando esta información con un comercial de celulosa se obtuvieron valores de 1 €/kg. Si se expresan ambos valores en las mismas unidades obtendríamos que los 25,70 €/m² del iTeC (5,53 €/kg) equivaldrían a 4,65 €/m² (1 €/kg) según el comercial, lo que supone un sobrecoste de más del 18 %. Ante este desajuste entre precios establecidos por las bases de datos y

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FASE I. ACV

los que se estipulan en el mercado, se decidió optar por unos precios que serían accesibles para cualquier consumidor del mundo de la construcción gracias a casas de bricolaje como es el caso de Leroy Merlín. Se empleó la versión francesa de esta casa comercial por ser aquella que reunía el mayor número de materiales objeto de estudio, teniendo así un criterio lo más homogéneo posible para la mayoría de ellos.

El proceso metodológico llevado a cabo para realizar el estudio partió de recoger las diferentes conductividades (λ=W/K·m) de cada aislante, las cuales venían determinadas en el respectivo DAP, así como las unidades funcionales referenciadas en cada caso. Dentro de las diferentes unidades funcionales, la más repetida resultó ser la resistencia térmica que proporcionaba un metro cuadrado de aislamiento con un grosor diez centímetros, es decir, 0,1 metros cúbicos. Por ello, el siguiente paso fue unificar todos los datos referentes a los indicadores mediante una conversión de espesores. Se fijó una resistencia térmica determinada y a través de la definición de ésta (RT=e/λ) se calculó el grosor mínimo necesario de cada aislante para obtener la resistencia térmica establecida. Con estos espesores obtenidos para cada aislante, se interpolaron los indicadores ambientales referenciados en cada DAP.

A continuación procedemos a enumerar los diferentes indicadores contemplados en el estudio:

1.- Energía primaria renovable (MJ).

2.- Energía primaria no renovable (MJ)

3.- Potencial de Calentamiento Global (kg CO2 equivalentes).

4.- Potencial de Agotamiento de recursos abióticos para elementos (kg Sb equivalentes).

5.- Potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférica (kg de CFC11 equivalentes).

6.- Potencial de acidificación de tierra y agua (kg SO2 equivalentes).

7.- Potencial de eutrofización (kg (PO4)3 equivalentes).

8.- Potencial de formación de oxidantes fotoquímicos de ozono troposférico (kg de C2H4 equivalentes).

Si presentamos a modo de gráfica los espesores obtenidos para cada aislante vemos como claramente se aprecia una relación directa con la conductividad del correspondiente material. Como era de esperar, a mayor conductividad, mayor espesor de material aislante es necesario para obtener la resistencia térmica prefijada.

A través del gráfico podemos apreciar que para la resistencia determinada de Rt=2,86 (m²·K)/W , necesitaríamos 10 cm de Poliestireno Extruido (XPS), mientras que si se tratase de Corcho Triturado requeriríamos de 12,29 cm o por el contrario, si escogiésemos Poliestireno Expandido (EPS) sería suficiente con 9,14 cm.

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FASE I. ACV

Paralelamente, las densidades nos permiten establecer aquellos materiales que resultan ser de mayor peso, factor a tener en cuenta en su elección, pues dependiendo del proyecto en cuestión nos interesará un aislante más o menos liviano.

Dado que se tratan de indicadores con distintas unidades, el gráfico que proporcionamos viene expresado en porcentajes, indicando en escala cromática la contribución de cada material en la correspondiente columna de categoría de impacto. A través de ello podemos deducir que el material más indicado desde el punto de vista ambiental sería aquél cuyo color

estuviese presente en menor medida en las diferentes columnas.

Dentro de la categoría de energía primaria vemos como dato más alarmante el consumo desproporcionado por parte del vidrio celular (en color rojo), sobretodo en la que se refiere a energía no renovable (1.212,77 MJ). Mientras que si consideramos la utilización de corcho triturado, esta energía requerida apenas se aprecia dado su bajo valor (53,25 MJ).

Por otro lado, en color azul claro, vemos como el aislamiento a base de fibra de madera tiene aspectos positivos no sólo en el caso de la energía primaria no renovable sino también en aspectos de Potencial de Calentamiento Global

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y Potencial de agotamiento de la capa de ozono estrastosférica. En el caso del indicador de Calentamiento Global, el valor negativo corresponde a que no sólo no produce un aumento de kg de CO2, sino que además, su utilización representa renovar el parque arbóreo y con ello una mejor calidad de árboles que suponen un aumento en la filtración de CO2 de la atmósfera y correspondiente mejora de la calidad de aire.

Siguiendo dentro de Potencial de Calentamiento Global, por el lado positivo vemos la conveniencia de utilizar la fibra de madera en primer lugar seguida del aislamiento a base de celulosa insuflada y de corcho triturado. Por el

lado negativo, aquellos aislantes que mayor Calentamiento Global producen en valores muy similares son el poliestireno extruido (XPS), el poliestireno expandido (EPS) y el vidrio celular.

Dejar al margen el aspecto económico supondría un error en cualquier estudio de impacto medioambiental. Es por ello, que pretendemos analizar la repercusión económica que supone la elección de un material u otro como aislante térmico. En el gráfico anterior podemos ver como el material que provoca un mayor desembolso económico es el que realizamos a base de vidrio celular (70,92 €) seguido del corcho negro (28,80 €) y el de corcho triturado (25,68 €). Si

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se hubiesen tenido en cuenta los datos del iTeC, el aislante más caro de todos resultaba ser la celulosa, hecho que hizo saltar la alarma de que algo no era correcto, de ahí que se despreciasen los anteriores valores económicos.

De la mano de todas estas gráficas podemos establecer una buena relación precio-impacto para una resistencia térmica determinada en el caso de la lana de roca, la celulosa insuflada y el algodón reciclado. No obstante, de éste último no se disponen de todos los indicadores medioambientales por lo que no se podría tener en la misma consideración que los otros dos aislantes a efectos posteriores.

Así pues, en esta búsqueda del aislante térmico idílico deberíamos considerar la lana de roca (9,89 €) y la celulosa insuflada (6,84 €) puesto que además de ser los materiales más económicos, no generan unos impactos que estén a la cabeza en los diferentes indicadores.

A modo de conclusión podemos decir que se han encontrado dos materiales que podrían ser beneficiosos tanto desde un punto de vista económico como desde el aspecto medioambiental. Sin embargo, los recursos y tiempo dedicados a este estudio son limitados y por ello existe una ausencia de muchos otros posibles aislantes térmicos que hubiesen podido entrar en el estudio.

FASE I. ACV

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El continuo avance en el campo de nuevos aislamientos térmicos junto con el creciente desarrollo del estudio medioambiental y el correspondiente aumento de datos sobre indicadores, permite resaltar la necesidad de mantener una investigación actualizada en lo que refiere a la sostenibilidad en la construcción.

Siguiendo con el análisis comparativo debemos considerar que cualquier construcción no se conforma únicamente de partes sólidas que permitan la colocación de material aislante, sino que en muchas ocasiones esta capacidad térmica se ve delegada en otro tipo de materiales como pueden ser

policarbonatos o vidrios. Es por ello que de forma paralela realizaremos un estudio de este grupo alternativo de aislantes.

Como era de prever, en el gráfico que aparece a continuación, se ve claramente como la unidad de triple vidrio representa un mayor consumo de energía primaria no renovable además de alcanzar prácticamente el doble de impacto en el resto de indicadores medioambientales.

Si a la comparativa añadimos la variable del policarbonato, vemos como el impacto de este último se dispara hasta tener como resultado valores que representan valores hasta quince veces


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superiores a los que representan la unidad de vidrio doble.

En el caso de la elección entre vidrio doble y triple, dependiendo de la fase de uso de la construcción, podríamos llegar a amortizar el aumento de contaminación inicial eligiendo el caso de triple en lugar de doble aislamiento dado que presuponemos un menor consumo en el caso de utilizar mayor cantidad de vidrio dado su mejor aislamiento. Sin embargo, en el caso de la elección de policarbonato, su compensación medioambiental será más difícil de alcanzar gracias a a la fase de uso puesto que a pesar de que su conductividad es mejor (0,20 W/(m·K) frente a los 0,70 W/

(m·K) del vidrio triple), la inversión inicial requerida en lo que a impactos se refiere es demasiado elevada. Es por ello que su utilización responderá más a otros requisitos como pueden ser de calidades, económicos, estéticos, etc.

FASE I. ACV

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La Casa-P tiene unas ventanas con transmitancias muy bajas aunque no tenga el certificado PassivHaus, la U de la carpintería es de 1,10 W/(m2K) y la del acristalamiento es de 0,60 W/(m2K). Éstas son unas carpinterías de madera y aluminio con vidrio doble y cámara de Argón.

No encontramos suficiente información de una carpintería con estas características en el ITeC. Por ello buscamos varias Declaraciones Ambientales de Producto para tener una visión más completa y poder obtener los valores que más se ajustaran a nuestro caso. Además de realizar un estudio comparativo con el programa SimaPro.

Analizamos 5 tipos de carpinterías, dos de ellas sólo de madera y tres de madera y aluminio:

De madera:

Base del ITeC (Madera-1)

3.2Estudio de carpinterías


Variotec GmbH. Holzfenster Energyframe II (Madera-2)

De madera y aluminio:

Variotec GmbH. Holz-Aluminium-Fenster ENEF 12 V (Madera-Metal-1)

Wiegand GmbH Holz-Metallfenster dw-plus integral (Madera-Metal-2)

Hama GmbH. Holz-Metallfenster (Madera-Meta-3)

Los datos del ITeC corresponden sólo a la carpintería de madera sin incluir los vidrios, con una transmitancia calculada de 0,148 W/(m2K), suponiendo que la madera tiene una conductividad de 0,013 W/mK y el marco un espesor de 88mm. Hemos denominado a esta carpintería, Madera-1 en el estudio.

El resto de las DAP comprenden la carpintería y los vidrios. La totalidad de los DAP encontrados son de origen alemán. En el gráfico se puede observar como tanto la energía embebida en MJ como el GWP en KgCO2 es muy superior al del caso español, el ITeC. Esto se debe a que en Alemania son más sensibles a la energía embebida que al potencial de calentamiento global implicado en el proceso.

La carpintería de la casa Variotec, Holzfenster Energyframe II, a la que nos referiremos en el estudio como Madera-2, se trata de una carpintería de madera con una transmitancia de 0,73 W/(m2K) y

3. EVALUACIÓN DETALLADA3. EVALUACIÓN DETALLADA

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vidrio triple.

La carpintería denominada Madera-Metal-1, también de la casa Variotec, Holz-Aluminium-Fenster ENEF 12 V, es una carpintería de madera y aluminio con una transmitancia de 1,16 W/(m2K) y vidrio triple.

La última carpintería, Madera-Metal-3, corresponde a la casa Hama y modelo Holz-Metallfenster. Ésta tiene una transmitancia entre 1,2 y 0,8 W/(m2K) con vidrio triple.

Como podemos observar en la gráfica, la energía primaria se dispara en

el caso de Madera-Metal-2, aún siendo una carpintería similar a la Madera-Metal 1 y 3.

Los mejores resultados tanto en energía embebida como en KgCO2 se encuentran en la carpintería Madera-1, ya que no incluye los vidrios. Sin embargo no podemos comparar esta con el resto de las carpinterías ya que falta un valor significativo, el de los vidrios. Por tanto no utilizaremos este dato para nuestro estudio.

En cambio sorprende la similitud entre la segunda y la tercera carpintería, ambas presentan valores muy similares en los dos indicadores. Puede que esto se deba a que ambas provienen de la

FASE I. ACV FASE I. ACV

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misma casa (Variotec) y tengan procesos similares de producción y obtención de la energía. Sin embargo la carpintería que incluye el aluminio tan sólo supera a la de madera en unos 3 MJ y poco menos de 1000 KgCO2. El DAP no ofrece información sobre las fuentes de energía o como contabilizan las emisiones de CO2, así que no podemos más que señalar la anomalía.

La quinta carpintería, Madera-Metal-3 ofrece los resultados más altos en energía embebida después de la carpintería Wiegand Passivhaus (Madera-Metal-2) y tiene unas emisiones de kgCO2 media en comparación al resto.

Por todo ello decidimos descartar las

carpinterías Madera-1 y Madera-Metal-2 por presentar valores muy por encima o muy por debajo del resto de carpinterías.

Para nuestro análisis de ciclo de vida elegimos entre las dos carpinterías restantes de madera y metal: Madera-Metal-3 para el vestido de Passivhaus y Madera-Metal-1 para los vestidos de CTE. Ya que sólo nos quedamos con una opción de carpinterías exclusivamente de madera y necesitamos dos. Preferimos que el estudio comparativo muestre dos carpinterías que tengan madera y metal para homogeneizar en la media de lo posible los factores. Aunque parece que la mejor de estas carpinterías sería la Madera-2 ya que ofrece la transmitancia más baja, 0,73 W/(m2K), la menor energía


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embebida (100,01 MJ) aunque sus resultados de emisiones de CO2 para ser sólo madera son elevados.

Escogemos la carpintería Madera-Metal 3 para Passivhaus por tener la transmitancia más baja de las dos opciones y porque entendemos que en comparativa, la solución para Passivhaus incluye más elementos en la carpintería y por tanto tendrá unas emisiones de CO2 superiores a las de una carpintería para cumplir sólo CTE.

Los DAP’s ofrecen datos por fases: fase de fabricación (A1-A3), uso (B5), fin de uso (C3-C4) y re-uso (D). Realizamos un gráfico comparativo para ver en qué etapa son más significativos los datos de energía embebida y emisiones de CO2. El gráfico muestra como la fase más crítica es la de fabricación en ambos casos si descartamos los resultados excesivos en MJ de la carpintería madera-metal 2, en color morado. Todas las carpinterías además ofrecen resultados negativos para la fase de re-uso. Las carpintería madera-metal 3, en color azul, tiene una especial presencia en la fase de fabricación y uso en cuanto a la energía embebida, mientras que la carpintería madera-metal 1 y madera 2 (ambas de la casa Variotec) son especialmente significativas en emisiones de CO2 durante la fase de fabricación.

Ante tal disparidad de datos

decidimos utilizar el programa SimaPro para comparar una carpintería genérica de madera y otra genérica de madera-metal con los datos de nuestros DAP’s. Ambas carpinterías tienen vidrios dobles y unas transmitancias de 1,10 W/(m2K) y 1,80 W/(m2K), respectivamente

El en gráfico de todos azules mostramos los valores obtenidos, comparando las carpinterías de los DAP’s con el resultado genérico del SimaPro. En tonos rosados mostramos la media de los valores obtenidos para las carpinterías de madera y madera-metal. Los resultados del SimaPro no se asemejan a ninguno de los DAP’s por tanto seguimos concluyendo que cada carpintería tiene sus propios procesos para la fabricación y obtención de las fuentes de energía. Si se quiere tener un dato exacto de la carpintería se debe elegir el DAP correspondiente y elegir un dato genérico como los que ofrecen SimaPro o la base del ITeC pueden alterar los resultados, variar enormemente el análisis o incluso introducir un margen de error inaceptable.

De los valores medios obtenidos, si se puede concluir que la carpintería de madera tiene un mejor comportamiento que la de madera-metal en los dos indicadores. Aunque cabe destacar que los resultados en cuanto a emisiones de CO2 son bastante más parejos que los MJ. Tiene lógica que la carpintería formada exclusivamente por madera tenga menor energía embebida que la que incluye

FASE I. ACV

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metal ya que el aluminio implica gran cantidad de energía en su proceso de fabricación.

Nosotras después de la comparativa con SimaPro y las medias, seguimos con nuestra premisa original y utilizamos las carpinterías madera-metal 1 y 3 por considerar los valores más adecuados para nuestra vivienda por lo anteriormente expuesto.


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4Amortizaciones

FASE I. ACV FASE I. ACV

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Por lo que respecta a la amortización económica, se ha tenido en cuenta el sobrecoste en la Fase de Fabricación que representa una vivienda según el estándar Passivhaus frente al CTE, ya sea en el rango de valores orientativos así como en el de límites.

Para ello se ha trabajado con la herramienta PHPP, ajustando los valores de transmitancia de cada solución a través de la que se establece una demanda anual determinada en cada caso (Passivhaus, valores orientativos y valores límites). Esta demanda ha permitido calcular el gasto económico2 que representa cada una de las soluciones constructivas y con ello determinar el ahorro que se produce cada año.

Así, se ha considerado una amortización simple, dividiendo el sobrecoste inicial entre el ahorro que se produce anualmente en la fase de uso de la vivienda.

El proceso se vuelve más complejo cuando decidimos sustituir la celulosa

4.1 Amortización económica

2 Se ha considerado un precio de consumo de electricidad peninsular de 0,124107 €

por poliestireno expandido (EPS) en todas sus variables, pues esto supone una calibración de las demandas con el nuevo aislante mediante el PHPP. Pero así, podemos comparar en todos las variables de cálculo con dos aislantes térmicos diferentes.

En el proyecto, la casa-P está resuelta a través de aislante de celulosa, pero como se trata de una fase inicial de proyecto, se quiso comprobar la influencia de un aislamiento y de otro para que así los arquitectos pudiesen tomar una decisión u otra.

4. AMORTIZACIÓN

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FASE I. ACV

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Como se ha indicado anteriormente, el aumento en el espesor del aislamiento térmico supone una reducción en la superficie útil en planta, hecho que se pone de mayor relevancia cuando se trata de un edificio situado en una parcela urbana.

En el siguiente gráfico se muestra una comparativa de superficie útil referente a la casa-P teniendo como base los datos de Passivhaus frente a los que establece el CTE. Paralelamente se presenta cómo éstos difieren según dos alternativas: una utilizando aislamiento térmico a base de poliestireno expandido (EPS) y otra considerando celulosa.

Frente a Passivhaus (valores de transmitancia térmica más restrictivos), el CTE siempre supondrá un menor espesor de aislamiento térmico y, por tanto, una menor pérdida de superficie útil.

Pero además, si consideramos el EPS, se aprecia como la pérdida de superficie es mayor, puesto que al tener una conductividad térmica menor que

4.2 Amortización de superficie

la celulosa, hace falta un espesor menor que en el caso de ésta última.

En el caso de valores límites en celulosa se plantea una pérdida de superficie en celulosa de 13,34 m², cifra que representa un 5% del total de superficie útil.

4. AMORTIZACIÓN

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5Conclusiones

FASE I. ACV

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5. CONCLUSIONES

Todos los datos analizados confirmas que efectivamente la solución más eficiente energéticamente, aún en su vertiente más exigente, Passivhaus Premium, resulta más rentable tanto económicamente como medioambientalmente, analizando sólo las energía embebida en MJ y emisiones de CO2 en KgCO2. Es probable que si hubiésemos analizado un estándar Passivhaus común hubiera salido datos más favorables para el vestido PH en los tres indicadores: euros, MJ y KgCO2.

Para este análisis de ciclo de vida nos centramos en las partidas de aislantes y carpinterías principalmente. Como hemos visto por los datos de porcentajes (%) la diferencia no es tan significante. En posteriores estudios sería muy interesante analizar otras partidas de gran importancia en la construcción como la de estructura y acabados que suponen la mayoría de m2 totales de la obra. Podría analizarse los vestidos con por ejemplo una cantidad menor de hormigón en la estructura y mayor presencia de madera o sustituir los pavimentos de hormigón fratasado por arcillas que siguen aportando inercia térmica pero son más respetuosos con el medio ambiente.

Debemos destacar que el análisis de ciclo de vida realizado para la Casa-P se basa únicamente en dos indicadores medioambientales: energía embebida (MJ) y emisiones de CO2 (KgCO2). Existen otros muchos indicadores que no han tenido cabida en este estudio por las razones ya expuestas. Sin embargo la industria química avanza a diario creando nuevos productos y detectan otros nocivos para la salud. Así un kgCFC puede ser más dañino que un KgCO2 pero el total de emisiones es mucho menor y por tanto se ignora. Es probable que en los próximos años los indicadores cambien aparezcan nuevos y algunos superen en importancia a los más habituales hoy en día. Recordemos el caso de la fábrica de pesticidas en la India, conocido como el “Desastre de Bhopal”. Esta fábrica usaba para la fabricación de pesticidas isocionatos que son altamente tóxicos debido a su reactividad. Aquellos isocionatos con altas presiones de vapor son los más tóxicos debido a su volatividad. Estos pueden ser inhalados por vías respiratorias como el caso de esta

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6Bibliografía

FASE I. ACV

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- EYERER, P., REINHARDT,H. (2000). Ökologische Bilanzierung von Baustoffen und Gebäuden. Basel. Birkhäuser.

- HANIER, F., WELLER, N. (2011). “Aislamientos ecológicos” en EcoHabitar, vol. 30/VII, p. 22-31.

- WADEL, G., (2009). La sostenibilidad en la construcción industriazliada. La construcción modular ligera aplicada a la vivivienda. Tesis doctoral. Barcelona: Universidad Politécnica de Barcelona.

6. BIBLIOGRAFÍA

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7Anexos

FASE I. ACV

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[ fase II ] INDIVIDUAL

SIMULACIONES E INERCIA

[ FASE II ] INDIVIDUAL

FASE IIa:Estudio comparativo de simulación estática con simulación

dinámica y monitorización.

FASE IIb: Estudio de la influencia de la inercia térmica en edificios tipo

Passivhaus.

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Índice [ FASE II ] ESTUDIO DE SIMULACIONES e INERCIA. INDIVIDUAL

1. INTRODUCCIÓN 54 1.1. Objeto y objetivos 55 1.2. Justificación e interés del tema 55 1.3. Metodología del desarrollo 56 2. DESARROLLO DEL TRABAJO 58 2.1. Descripción Casa Palau 59 FASE IIa: SIMULACIONES VS MONITORIZACIÓN 68 2.2. Metodología (diario de simulaciones) 69 2.3. Simulación estática (PHPP) 80 2.4. Simulación dinámica (DesignBuilder) 82 2.5. Monitori zación real 86 2.6. Conclusiones 88 FASE IIB: INFLUENCIA DE LA INERCIA 90 2.7. Debate actual 91 2.8. Qué es la inercia 95 2.9. Evaluación comparativa con y sin inercia térmica 96 2.10. Influencia de las estrategias pasivas en el diseño actual 97 2.11. Estudio de inercia con estrageias pasivas activadas 101 2.12. Estudio de inercia con estrageias pasivas desactivadas 103 3. CONCLUSIONES 105 4. BIBLIOGRAFÍA 108

5. ANEXOS 110 6.1 Memoria PHPP original 6.2. Memoria PHPP adaptaado

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1Introducción

FASE II. SIMULACIONES e INERCIA

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1. INTRODUCCIÓN

El objetivo del presente trabajo es realizar un estudio comparativo que constate las semejanzas y/o diferencias que existen entre las simulaciones energéticas, tanto dinámicas como estáticas con la monitorización real. Compararemos la simulación dinámica del programa DesignBuilder, el programa más utilizado y completo después de Energy Plus, con la simulación estática del PHPP, la herramienta de cálculo del Instituto Passivhaus y ambas simulaciones con la monitorización.

Una vez conocidos los límites del programa de simulación dinámica se utilizará el modelo creado y testado para estudiar la influencia de la inercia en diferentes casos. A raíz del debate actual dentro de la comunidad de edificios de consumo de energía casi nula (nZed) y en concreto dentro del mundo Passivhaus. Existe una inquietud sobre la importancia de esta estrategia pasiva dentro de este tipo de edificaciones de baja demanda de calefacción y refrigeración.

1.1 Objeto y objetivos

El caso de estudio para mi trabajo será la casa conocida como Casa Palau una vivienda unifamiliar aislada en parcela de nueva construcción, con certificación Passivhaus y ubicada a las afueras de Barcelona. Realizaré una descripción más completa de la vivienda en el apartado 2.1 Descripción Casa Palau.

1.2Justificación del tema

Idealmente la simulación ya sea dinámica o estática debería coincidir con la monitorización real del edificio. La realidad constata que las simulaciones todavía no están cerca de ofrecer datos similares a los de la monitorización. Aún introduciendo datos parejos, las simulaciones ofrecen resultados diferentes. Esto se debe a muchos factores como por ejemplo que el diseñador introduzca un patrón de uso diferente al que más tarde tendrá el usuario en su día a día o que se usen bases de datos climáticos lejanas a la ubicación del edifico o que la monitorización se haya realizado en un verano o un invierno con temperaturas atípicas. Además de los propios sistemas de cálculo y las variables que tiene en cuenta cada programa.

€ También se debe tener en cuenta

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Esta segunda fase del trabajo fin de máster constará de dos partes principales:

IIA- Comparativa entres simulaciones y monitorización

IIB- Estudio de la influencia de la inercia térmica en una vivienda Passivhaus

Para poder comparar el mundo de las simulaciones con el de la monitorización es necesario conocer cómo funcionan las simulaciones. Existen dos tipos principales de simulaciones dinámicas y estáticas. Como ya he mencionando utilizaré el programa DesignBuilder como simulación dinámica y el PHPP como simulación estática.

que los programas de simulación están en constante evolución y cada versión ofrece mejores resultados que la anterior. Sin embargo todavía les falta años de afinamiento hasta conseguir datos más exactos.

Todas estas variables están lejos de poder ser corregidos o previstos por el diseñador y sin embargo las herramientas de simulación se han convertido en elementos imprescindibles para el diseño sostenible y eficiente energéticamente. Por ello es especialmente interesante comprobar con un caso de estudio como la simulación se asemeja o no a los datos reales. Para saber cuales son los márgenes de error con los que trabajamos.

El tema de la inercia térmica en viviendas súper-aisladas, como por ejemplo las que siguen el estándar Passivhaus, es un debate polémico. La mayor parte de la literatura hasta la fecha e incluso la normativa (Directiva Europea 2010/31/EU) aboga a favor de la masa térmica como una medida pasiva eficaz tanto para la refrigeración como para el calentamiento. Sin embargo los estudios realizados por expertos en eficiencia energética a través de diferentes simuladores como el trabajo de Jürgen Schnieders o de Oliver Style muestran con sus estudios que la inercia tiene mucha menos influencia en el comportamiento de este tipo de construcción de la que se esperaba. Llegando en casos a ser irrelevante, especialmente si se compara con otras medidas pasivas como la

1.3Metodología del desarrollo

ventilación nocturna o el sombreamiento exterior. Con este presente estudio quiero comprobar como afecta la inercia en el caso de una vivienda con certificación Passivhaus en un clima cálido como es el de Barcelona.

FASE II. SIMULACIONES e INERCIA FASE II. SIMULACIONES e INERCIA

57

1- Primero realizaré una comparativa entre una simulación dinámica y una estática. Es interesante saber que es una simulación dinámica y qué es una simulación estática. Es más fácil comprender estas diferencia tomando un parámetro en concreto, por ejemplo el cálculo de resistencias superficiales en uno y otro programa. El PHPP realiza un cálculo estático, es decir calcula la resistencia superficial de forma constante mientras que el DesignBuilder realiza un cálculo superficial dinámico, calcula la resistencia superficial según los pasos que hayamos fijado a la hora de simular (existen dos posibilidades calcular en 6 horas o en 12 horas). Esto significa que PHPP supone que la superficie no se altera a lo largo del día mientras que DesignBuilder si tiene en cuenta que por ejemplo una pared tiene comportamientos diferentes según las horas del día. No recibe la misma radiación ni el mismo sombreamiento durante todas las horas del día y desde luego este no permanece constante a lo largo del día ni del año. Profundizaré este punto en el apartado cerramientos del punto 2.2 Metodología.

Esto supondría que el calculo de DesignBuilder tendría un margen de error entorno al 5% con respecto a la realidad mientras que el PHPP comprendería un error en torno al 10% con la realidad. La diferencia entre las simulaciones por tanto debería rondar el 5%.

Para realizar la comparación entre simulaciones decidimos partir de los datos del PHPP e ir pestaña por pestaña

en DesignBuilder comprobando cada dato. En caso de que difirieran, intento asemejar los parámetros lo más posible modificando a veces el DesignBuilder cuando no sea posible modificar el dato en PHPP y viceversa. Cuando no haya sido posible asemejar los datos intentaré dar una explicación plausible a la diferencia y tenerla en cuenta en las conclusiones.

Una vez que a través de la experiencia anterior se sabe como funcionan ambos programas y se tiene un modelo afinado, se intentará asemejarlos a la realidad, contrastándolos con los datos de monitorización.

2- Cuando ya se conoce como funcionan las simulaciones y el modelo en DesignBuilder se halle afinado al máximo posible a la realidad. Tendremos un conocimiento aceptable de cómo funciona el programa además de saber que variables modificar y que influencia tienen estos cambios en el cálculo final, aprovechamos el modelo para investigar qué influencia tiene la inercia en una vivienda Passivhaus, colocando el aislante sobre o bajo la solera o cambiando la envolvente a un material con más inercia o alguno de las particiones interiores. También se estudiará como interactúan las diferentes medidas pasivas simulando con y sin ventilación natural,sombreamiento exterior y reducción de aislamiento.

1. INTRODUCCIÓN

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2Desarrollo del trabajo

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2. DESARROLLO

2.1 Descripción Casa Palau

La Casa Palau, también conocida como Casa Pineda, es una vivienda aislada en parcela situada en la localidad de Palau-Solità i Plegamans en la comarca del Vallès Occidental, una ciudad pequeña a 30 Km Barcelona y situada a 17Km de la playa.

El proyecto se encargó en 2012 al equipo de arquitectos: Micheel Wassouf y Eva Jordan con el objetivo de construir una casa pasiva para un clima cálido y que usara en la medida de los posible materiales naturales que tuvieran en cuenta la huella ecológica. La constructora encargada de llevar la obra a cabo fue Papik Fusters SL, especialista en construcción de casas ligeras de madera y con experiencia en construcciones tipo Passivhaus.

El clima de Palau-Solità i Plegamans es similar al de Barcelona aunque las oscilaciones de temperatura, el salto térmico entre el día y la noche, son mayores, llegando hasta las 14-15ºC en verano mientras que en Barcelona se quedan en torno a los 17-18ºC. La humedad es alta debido a su proximidad

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al mar pero sobre todo debido a la cercanía de un pequeño rio, Riera de Caldes. Las simulaciones se realizarán con el clima de Barcelona y por tanto con menor salto térmico.

La edificación se levanta sobre una solera de hormigón armado de 150 mm de espesor y aislante de celulosa (e=94mm) con subestructura de pino radiata colocada encima de ella. La transmitancia de la solera es de 0,372 W/(m2K). Por tanto sin posibilidad de jugar con la inercia térmica en el diseño pasivo ya que además la estructura de la vivienda es toda de pórticos de madera sencillos (90mm; 1,1W/(m2K). La construcción tiene dos tipos de fachada: una ventilada con acabado en madera y una transmitancia de 0,142 W/(m2K) orientada a Sur y Oeste y otra con SATE y U de 146 W/(m2K) orientadas a Norte y Este. La casa volumétricamente se puede dividir en una “L” al lado Oeste y una planta rectangular al Este. La “L” cuenta con una cubierta ventilada de teja mientras que la rectangular con una ventilada de chapa, ambas con transmitancias de 0,115 W/(m2K). Se ha estimado que la inercia de la vivienda es muy baja debido al posicionamiento del aislante en la cimentación además de que los componentes de la envolvente están formados por una estructura de madera tanto para las fachadas como para las cubiertas y aislamiento de celulosa en todo el perímetro de la vivienda.


La casa fue certificada en 2014. La solución constructiva para el diseño pasivo comprende una casa muy compacta con orientación Norte-Sur para las estancias principales y colchón térmico al Este situando los servicios a este lado. Las aperturas mayores se colocan orientadas a Sur para maximizar las ganancias solares gratuitas en invierno y se protegen debidamente con persianas para el verano. Los huecos abiertos a Norte son más pequeños para evitar las pérdidas térmicas indeseadas. El sistema certificado HRV-ventilation garantiza los requerimientos de aire fresco y el ensayo de puerta ventilador dio un resultado de hermeticidad al aire de 0,2 renovaciones/hora. Las aperturas tienen cristales dobles bajo emisivos (1,1 W/(m2K); g=0,53) y carpinterías (1,1 W/(m2K), suficiente para alcanzar el confort necesario para el clima mediterráneo de Barcelona y colocados en la parte interior del muro de fachada, aprovechando los gruesos muros para generar sombra. Además todas las estancias tienen suficiente protección solar gracias a las persianas alicantinas colocadas en el exterior.

Las medidas activas de la vivienda comprende un sistema de ventilación de la casa Zehner, una bomba de calor aeroterma para el agua caliente sanitaria y una estufa de leña para calefactar. El proyecto original incluía un split para cubrir los picos de refrigeración, ya que la vivienda tiene un sobrecalentamiento de 16,7%. El Instituto Passivhaus exigía

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Autor memoria: Eva Jordan Guerrero 15

2. DESARROLLO

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2. DESARROLLO

Autor memoria: Eva Jordan Guerrero 16 Autor memoria: Eva Jordan Guerrero 16


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10. Ventilación en invierno Para la ventilación controlada se ha instalado la máquina marca Zehnder Comfoair 350

W situada dentro de la envolvente, en el aseo de la vivienda con salida y entrada de

aire directa. Este sistema garantiza una alta eficiencia energética para la recuperación

de calor. El rendimiento nominal de la máquina es del 84%, y el consumo nominal de

electricidad es 0,29Wh/m3.

El valor efectivo de recuperación de calor, teniendo en cuenta la conductancia del

conducto de aire de admisión / impulsión y la longitud de los conductos, se reduce a

77,2%.

Plano de ventilación. Posición de la VMC en el lavabo, (rectángulo verde). Conductos color rojo: extracción / conductos color azul: admisión


Plano de ventilaciónPosición de la VMC en el lavabo (verde)Conductos color rojo: extracciónConductos color azul: admisión


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la incorporación de un apoyo que finalmente no se instaló y no se necesitó como veremos en las monitorizaciones.

Los usuarios del edificio son una familia compuesta por dos personas, muy conscientes de las medidas de ahorro energético. Se han creado su propia estación meteorológica en la parcela y registran periódicamente la temperatura interior así como el CO2 de su vivienda. Los usuarios dejaron la vivienda en agosto, por tanto todo los análisis de confort se han centrado en los el resto de los meses de verano. Además de reflejarse en la plantilla de actividad en la simulación dinámica. Durante la ocupación la ventilación mecánica se redujo durante el día ya que ambos trabajan fuera de casa, a el mínimo (15m3 por hora y persona). Cuando los usuarios están en casa se cambia al modo estándar de ventilación y se abren las ventanas durante la noche para ventilación cruzada.

2. DESARROLLO

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2. DESARROLLO

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fase IIaSimulaciones


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FASE IIa. SIMULACIONES

2.2Metodología (Libro de simulaciones)

A continuación enumeraré el proceso que he seguido para asemejar lo máximo posible los dos tipos de simulaciones: la estática y la dinámica con la monitorización.Utilizaré la estructura del DesignBuilder para tener una orden de narración. Con esto pretendo mostrar una investigación sincera a modo de diario sobre qué parámetros he tocado y cómo han influido.

1- ACTIVIDAD:1.1 Clima En la pestaña de “Actividad” a nivel de sitio tenemos que definir el clima en plantilla de sitio. DesignBuilder sólo permite coger los datos de IWET, es decir datos obtenidos en la estación del Aeropuerto del El Prat, mientras que Passivhaus especifica que no quiere usar estos datos porque aunque sean más completos que los de otras estaciones, no son los de las condiciones reales de la

ciudad donde se implantan los edificios por eso decide tomar datos de otras estaciones meteorológicas más cercanas y aplicar un factor de corrección de altura del edificio. En este caso se cogieron los datos meteorológicos de la estación del Tibidabo, que se encuentra a 141 metros sobre el nivel del mar mientras que la estación del aeropuerto se halla a tan sólo 4 metros.

No es posible elegir otro fichero para la simulación dinámica por tanto para conseguir datos más parejos debería introducir los datos del IWET en la simulación estática. La estación del aeropuerto se encuentra a 41º 17’34’’N (41,29) y 2º4’12’’E (2,07) mientras la casa se encuentra a 41º 35’56”N (41,60) y 2º10’36’’E (2,18). La estación del IWET se haya a 4 metros sobre el nivel del mar y la Casa Palau a 147 m. Este último dato debería influir a la hora de comparar con la monitorización real. PHPP coge los datos medios mensuales mientras DesignBuilder coge los datos por horas. El fichero de DesignBuilder es por tanto más preciso que el del PHPP. Por ello para igualar las dos simulaciones sólo sería posible coger los datos del fichero del IWEC que usa DesignBuilder y hacer una media para obtener los datos mensuales medios e introducirlos en la hoja de cálculo de PHPP. El problema es que los datos por horas del IWEC son 8760 puntos de los que habría que hacer manualmente las medias. Esto es una labor inmensa y lamentablemente no dispongo del tiempo suficiente para

70


realizar estos cálculos. Cambiando sólo los datos de temperatura que en principio no son tan distintos de los del PHPP salen valores ridículos para la simulación estática, se pasaría de una demanda de calefacción de 9kWh/(m2año) a 39 kWh/(m2año). Por tanto tendremos que continuar aceptando esta desigualdad como parte de las diferencia de cálculos entre una y otra simulación. Si dispusiera de más tiempo también me gustaría simular el PHPP con los datos de la estación meteorológica que tienen los usuarios de la vivienda instalada en la parcela aunque sólo haya datos registrados a partir de 2014.

1.2 Plantilla de actividad A nivel de edificio Introduzco los datos de actividad, creando una plantilla, a la que llamo Palau (la plantilla refleja la no ocupación durante el mes de agosto debido a que los usuarios se van de vacaciones con la densidad de ocupación y las consignas de calefacción y refrigeración iguales a las del PHPP, explicaré más a fondo estos datos en el apartado correspondiente. La casa estará desocupada de las 8am a las 4pm. Ambos usuarios tienen el mismo horario, trabajan y comen a diario fuera de casa.

1.3 Ocupación La vivienda consta de 99m2 dentro de la envolvente térmica y 2 usuarios.

71


Por tanto la densidad de ocupación es 99m2/2 personas = 49’5m2/persona. El dato en DesignBuilder se pide en personas/m2, por tanto 0,02 personas/m2.En el PHPP se debe especificar la densidad de ocupación en la pestaña de comprobación, en la casilla de “ocupación proyectada”. Por defecto viene en Estándar, esto significa que la hoja de cálculo asocia 35m2 por persona. Este no es nuestro caso y por tanto cambiamos de Estándar a Datos del usuario. En este caso podemos introducir directamente el número de usuarios, 2, y el programa realiza los cálculos automáticamente. Si la superficie real de ocupación de nuestra construcción fuera superior a 50m2 por

persona la hoja de cálculo cambiaría automáticamente a este valor máximo. Nuestro caso de 49’5m2/persona está al límite y por tanto no es problema. Si se sobrepasara este límite habría que modificar el DesignBuilder para asemejar al PHPP.

1.4 Control AmbientalGanancias totales: En ganancias totales debemos tocar la plantilla de actividad para editar la que hemos creado. La carga debe coincidir con la pestana del PHPP GIC (Ganancias Internas de Calor) de verano e invierno en mi caso 2,1 W/m2 en verano y 4,12 en invierno.

72


2-CERRAMIENTOS:2.1 composición: Como ya he explicado en el apartdo anterior, el calculo de las resistencias superficiales entre la simulación dinámica y estática es un hecho, por cómo calcula cada programa. Esta diferencia se constató cuando se introducen las conductividades de los muros, cubiertas y solera con exactamente los mismos valores que los datos presentados en el PHPP.

Para asemejar los cálculos decidimos introducir directamente el valor de la transmitancia (U) en los muros, cubiertas y solera para poder disminuir el margen de error.

Si dispusiera de más tiempo me gustaría realizar una comparativa entre el PHPP y el DesignBuilder introduciendo los cerramientos con sus conductividades en vez de marcar directamente la transmitancia en la simulación dinámica y comparar.

2.2 Superficie A nivel de edificio, compruebo que en Áreas totales de suelo de edificio, la superficie del DesignBuilder encaja con la del PHPP. En mi caso la despensa está fuera de la envolvente térmica mientras que en la simulación estática están todas las estancias comprendidas en la envolvente. Como mi objetivo es asemejar las simulaciones lo máximo posible a la realidad, cambiaré el parámetro en el PHPP. La superficie total de la vivienda es de 99,00 m2 y su volumen 341,53 m3. La ocupación es por tanto 0,0169. Este dato es especialmente significativo ya que la superficie influye directamente en el computo de cualquier tipo de calculo ya sea dinámico o estático. A nivel de la casa en DesignBuilder, la despensa se pondrá como tipo de zona no acondicionada pero deben estar activadas las casillas de incluir zona en cálculos térmicos e incluir en cálculos de luz diurna con Radiance. Si las superficies no encajan bien habría que comprobar en geometría, áreas y volúmenes si la plantilla de criterios

73


geométricos mide desde fuera o desde dentro. También podríamos fijar el espesor de los muros, cubierta y solera. En mi caso encajó todo bien y no tuve que modificar este apartado. Es importante tener claro como queremos calcular el volumen exterior y los puentes térmicos debería ser los mismos que el PHPP, en el caso de la Casa Palau, no existen.

Al comprobar si la superficie de cada muro mide lo mismo en ambas simulaciones compruebo que las longitudes son exactas salvo en dos muros dónde la diferencia es de unos centímetros así que decido dejarlo como está.

2.3 Infiltraciones Las infiltraciones se fijan en “herramientas > definir infiltraciones >caudal de presurización”. Debemos tener activada la casilla de repartición de las infiltraciones en las zonas según las áreas. Ya que dependiendo de la superficie de cada estancia tendrá unas infiltraciones diferentes. Sobre todo por la cantidad de m2 expuestos al exterior, es decir, la fachada. El caudal se debe adaptar ya que PHPP nos da datos en renovaciones/hora y DesignBuilder nos los pide en m3/s.

El caudal es calcula de la siguiente manera:0,20 renovaciones/h x 341,43m3 = 68,29 m3/h54,89 m3/h / 3600s = 0,1896 m3/s

La simulación sale de esta manera a 1,2 KWh/m2año

2.4 Estanqueidad En la pestaña de Estanqueidad al aire, fijamos el dato obtenido en el PHPP: 0,2 renovaciones/hora. El dato obtenido del ensayo puerta-ventilador, realizado in-situ para lograr la certificación Passivhaus. DesignBuilder introduce el dato en renovaciones/hora y es necesario cambiar en configuración las unidades de renovaciones/hora medidas a 50 Pa.

3-ABERTURAS: 3.1 Superficie acristalamiento: Al dibujar las aberturas siguiendo los planos, compruebo que las superficies disciernen de los datos del PHPP. Simplificamos para nuestra comparación, tomamos los datos del PHPP como correctos e introducimos los datos de superficie de acristalamiento y la transmitancia del vidrio de ventana de la pestana ventanas del PHPP en el modelo de DesignBuilder. Obviando que las ventanas tengan marco y aceptando que el puente térmico de las carpinterías quedan embebidas en la fachada. Debo crear para cada ventana un vidrio con la misma transmitancia que figura en el PHPP e introduciendo los valores manualmente.

3.2 Sombreamientos El sombreamiento de los vidrios es muy importante en el cálculo de ambas simulaciones, ya sea la sombra

74


que proporciona el grosor del propio muro como los elementos auxiliares de sombreamiento, las persianas alicantinas en el caso de Palau, ya que el grosor del muro proporciona una sombra que puede afectar enormemente al resultado final, en términos de ganancias o pérdidas térmicas.

Para marcar el sombreamiento del muro exterior en PHPP es necesario introducir los valores manualmente. Se debe medir la distancia horizontal de la cara del muro a final de la carpintería y la distancia vertical desde el inicio de la carpintería a la cara interior del vidrio

(PHPP: versión 8, 2013, pág. 90). En caso de que existiera algún elemento cercano como por ejemplo una voladizo o un saliente del edificio que arrojara sombras sobre una ventana se debe medir la distancia a este punto en los dos ejes, el X y el Y. Estos datos se introducen en la columna de “Profundidad de telares/remetimientos laterales” y “Distancia del borde de vidrio al telar/rementimiento”.

En DesignBuilder se introduce directamente el valor en la pestana “aberturas”, reborde exterior, midiendo desde la cara exterior del muro a la cara exterior del vidrio. En el caso de Palau

75


las ventanas se encuentran enrasadas a la cara interior del muro por tanto no se marca el reborde interior. Introduzco los mismos valores que se han introducido manualmente en PHPP, para evitar este margen de error.

Las ventanas con orientación Sur y Oeste tienen un protección solar manual. Persianas alicantinas que deberán estar bajadas durante las horas de sol los días de verano. Sabemos que los usuarios cumplen este comportamiento por los resultados obtenidos en las monitorizaciones de temperaturas interiores. Esta información se introduce en la pestaña de “aberturas > sombread > sombreado de ventana”. Creo “Palau-persianas alicantinas” con sombreado al exterior ya que las persianas se sitúan fuera de la vivienda y debo elegir programación y crearla expresamente.

El sombreamiento exterior es uno de los elementos que más impacto tiene en el comportamiento de la vivienda, en el apartado sobre la inercia desarrollaré este punto de forma más extensa.

4-ILUMINACIÓN:La iluminación en DesignBuilder nos exige introducir una carga en W/m2 y una fracción latente. Estos datos se encuentran en el PHPP en la pestaña de “Electricidad”. Bajo el apartado “electricidad” marcado en color naranja obtenemos los datos de Iluminación, 11W si la cuota de bombillas de bajo

consumo es del 100% (sabemos que esto es así porque los usuarios están muy comprometidos y los datos de consumo coinciden aunque no exactamente porque es muy difícil prever el consumo exacto) y electrónica 80W. DesignBuilder nos pide este dato por m2 así que tendré que dividirlo por la superficie:11W/99m2= 0,11W/m2 DesignBuilder nos deja introducir un valor mínimo de 1 W/m2. Sería interesante comprobar cuanto afectaría cambiar este dato. Llama la atención lo bajo que es este dato, al comprobar el gasto de energía durante el último año, comprobamos que fue de 1472,2 kWh mientras que el PHPP registra 1489 kWh, una diferencia del 1,1% es despreciable.

La simulación en DesignBuilder con la potencia de iluminación en 0 W/m2, datos más próximos al 0,11 del PHPP me da un consumo de 681 kWh, mientras que si pongo la potencia al mínimo que me permite DesignBuilder, 1 W/m2, me sale 1042 kWh. Continuaré la simulación con una potencia de iluminación de 1W/m2, sabiendo que arrastraré un error importante en la demanda de electricidad. La demanda de iluminación en PHPP es de 64kWh mientras que el DesignBuilder es bastante superior, 360 kWh. No quiero subir la demanda de la simulación estática cuando esta se parece tanto al consumo real.

76


5-HVAC: El DesignBuilder tiene en cuenta las ganancias internas y no las solares, mientras que el PHPP si las tiene en cuenta. Esta será otras de las diferencias entre las dos simulaciones que no podremos afinar.

En DesignBuilder elegimos el modo de cálculo de HVAC simple que nos la demanda, HVAC compacto nos daría el consumo.

La medidas activas de Casa Palau son: - ventilación mecánica con recuperador de calor de 77,2% y un rendimiento del 84%. Su consumo es de 0,29 WH/m3. - Estufa de Leña de 5KW de potencia nominal - Bomba de calor Aeroterma para el agua caliente sanitaria. En el diseño del DesignBuilder desactivaremos el ACS pues no afecta de forma importante al cálculo final. - Como ya he mencionado la casa tiene una tasa de sobrecalentamiento del 16,7% según el cálculo estático del PHPP y el Instituto Passivhaus exige poner una máquina de aire acondicionado cuando la tasa sea superior al 10%. Sin embargo esta no se llegó a instalar y por tanto, desactivaremos lo referente a refrigeración en el DesignBuilder y en PHPP.

5.1 Ventilación mecánicaLa ventilación mecánica es la principal medida para calentar y/o refrigerar la

vivienda además de garantizar la calidad del aire interior.

En DesignBuilder activamos la pestaña de “Ventilación mecánica” elegimos como “método de definición de aire exterior”, “4. Aire exterior mínimo (por persona + por área)”. La programación de la ventilación mecánica debe de apagarse durante las 8 horas de la noche cuando se activa la ventilación natural en verano. En invierno ésta se mantiene también apagada porque hubo un problema de infradimiensionamiento de los conductos y hace un ruido que molesta para dormir. La máquina queda en funcionando a ritmo mínimo mientras los ocupantes no se encuentran en la vivienda, 8 horas. Por la tarde, cuando los usuarios llegan a casa, se cambia al modo estándar de ventilación durante otras 8 horas.

Para la plantilla del DesignBuilder supondré que cuando la máquina esté apagada esto corresponderá a un 0%, cuando esté al mínimo será el 10% y cuando esté en estándar un 60%. También existe la posibilidad de modo máximo que correspondería al 100%.

En DesignBuilder desactivo el economizador que no tiene y activo la recuperación de calor sensible. La efectividad de recuperación de calor sensible es del 77,2%. Estos datos coinciden con los de la memoria y el PHPP.

77


78


5.2 Calefacción La calefacción es a través de una estufa de leña. La plantilla de actividad deberá coincidir con el Excel que la familia ha realizado concienzudamente de su consumo durante el invierno 2013-2014 y está a su vez debe ser igual en PHPP. Según los datos registrados por el usuario, la estufa se encendió 17 de los 31 días que tiene diciembre, 18 de los 31 de enero, 15 de los 28 que tiene febrero y tan sólo 4 de los 31 de marzo, esto nos da unos porcentajes de uso de: 55%, 58% 54% y 13% respectivamente. Decido crear una plantilla para los meses más frio con un porcentaje de uso del 55% (ya que DesignBuilder no deja saltos inferiores al 5%) y otra para el mes de marzo con un 15% de uso.

5.3 Refrigeración La vivienda según los cálculos del PHPP tiene un sobrecalentamiento de 16,7%, con este valor el Instituto Passivhaus exige la colocación de una máquina que genere frio. Finalmente esta no se instaló y se consiguieron las temperaturas interiores de confort deseadas. Esto puede deberse a que el clima instalado en la hoja de cálculo es el de la estación meteorológica Fabra en el aeropuerto. La localidad de Palau-Solità i Plegamans tiene una oscilación térmica mayor que Barcelona ciudad y que Barcelona aeropuerto al estar más alejado del mar. Por eso los datos de monitorización demuestran que no es necesario este apoyo extra. Para asemejar ambas

simulaciones desactivaré la refrigeración en ambas. En PHPP se debe de eliminar la “x” en el apartado de “refrigeración mecánica” en la pestaña de “comprobación”. Al realizar esto nos dice que necesitamos reducir la demanda de refrigeración/deshumidificación. El PHPP tiene una temperatura interior de verano fijada en 25ºC que nos da una tasa de sobrecalentamiento del 23,1%, si subimos la temperatura a 26ºC nos baja a un 16,7%. Dejamos esta última opción para tener datos más parejos a la realidad.

5.4 Ventilación natural o ventilación de verano La ventilación natural cruzada es la principal medida para refrigerar la vivienda en los meses más cálido. Se ha estimado para el PHHP que el caudal de ventilación para higiene en verano sea 1,5 veces el caudal de invierno (0,55/h) por tanto 0,825/h. El usuario debería tener la VMC apagada y dos ventanas abiertas, una hoja de la ventana denominada FO3.1 y abrir parcialmente la ventana osciloparalela, denominada FS2.1. Esto equivaldría en la hoja “SummVent” a una ventilación natural nocturna de 1,57/h. He fijado en la plantilla de actividad que las ventanas se abrirán por la tarde desde las 19h hasta las 8h de la mañana siguiente. Por la noche las ventanas estarán más abiertas que por la tarde.

Al disponer de este dato de renovaciones/hora elijo el tipo de ventilación natural programada en

79


DesignBuilder, para que los datos sean lo más parejos posible. La otra opción de la simulación dinámica sería la ventilación natural calculada, de esta forma el programa tiene en cuenta las condiciones de viento en el sitio, el grado de apertura y el funcionamiento de las aberturas, el programa calcula él mismo la ventilación natural con los parámetros introducidos (manual de DesignBuilder, pág., 98). Para la opción de ventilación natural calcula sólo es necesario crear una plantilla de actividad. Está previsto que los usuarios abran la ventana un tanto porciento. Reflejaré esto como un 100 % en la plantilla de actividad, ya que esto

significa que durante las horas que esté en funcionamiento la ventilación natural tendrá las renovaciones/hora máximas calculadas, 1,57/h, DesignBuilder no permite afinar tanto e introduzco 1,6/h.

La temperatura máxima de ventilación será de 26ºC y la temperatura mínima de ventilación será 12ºC. En PHPP se introduce las temperaturas interiores mínimas y máximas a partir de las cuales se quiere que empiece la ventilación, sin embargo en DesignBuilder se debe fijar la temperatura exterior máxima y mínima a partir de la que se quiere iniciar la ventilación.

80


2.3Simulación estática (PHPP)

La simulación estática pide una demanda de calefacción de 9 KWh/m2 y una carga de calefacción de 10 KWh/m2.

La demanda de electricidad es de 1489 kWh.¬¬

PHPP, Comprobación CPalau_PHPP9- SOBRE SOLERA.xlsx

Comprobación Passivhaus

Foto o dibujo

Edificio: CASA UNIFAMILIAR EN PALAU-SOLITÀ PLEGAMANSCalle: Pineda 58CP / Ciudad: Palau-solità i PlegamansPaís: ESPAÑATipo de edificio: UNIFAMILIAR AISLADAClima: [ES] - Barcelona Altitud del sitio del edificio (en [m] sobre el nivel del mar): 147

Propietario / cliente: MONICA VELA PEREZ & JORDI BOLAO i SILVESTRECalle:CP / Ciudad: Palau-solità i Plegamans C.P. 08184, ESPAÑA

Arquitectura: Eva Jordan Guerrero / Micheel WassoufCalle: Eslida 5, local 11CP / Ciudad: 08840 Viladecans, ESPAÑA

Instalaciones: Papik Fusters S.L. B63965834Calle: Sort 34CP / Ciudad: 08172 Sant Cugat del Vallès

Año construcción: 2013 Temperatura interior invierno: 20,0 °C Volumen exterior Ve m³: 341,5Nr. de viviendas 1 Temperatura interior verano: 26,0 °C Refrigeración mecánica:Nr. de personas: 2,0 Cargas internas de calor invierno: 2,1 W/m2

Cap. específica: 84 Wh/K por m² SRE ídem verano: 3,4 W/m2

Valores característicos del edificio con relación a la superficie de referencia energética y año

Superficie de referencia energética 99,0 m² Requerimientos ¿Cumplido?*

Calefacción Demanda de calefacción 9 kWh/(m2a) 15 kWh/(m²a) sí

Carga de calefacción 10 W/m2 10 W/m² sí

Refrigeración Demanda total refrigeración kWh/(m2a) - -

Carga de refrigeración W/m2 - -Frecuencia de sobrecalentamiento (> 26 °C) 16,7 % - -

Energía primaria Calef., ref.,elect. auxiliar,

deshum., ACS,ilum., aparatos eléct. kWh/(m2a) 120 kWh/(m²a)

ACS, calefacción y electricidad auxiliar kWh/(m2a) - -Ahorro de EP a través de electricidad solar kWh/(m2a) - -

Hermeticidad Resultado ensayo de presión n50 0,2 1/h 0,6 1/h sí* Campo vacío: faltan datos;; '-': sin requerimiento

Passivhaus?

PHPP Versión 8.4Confirmamos que los valores aqui Nombre: Número de registro PHPP:presentados han sido determinados siguiendola metodoloía PHPP y están basados en los Apellidos: Expedido en:valores característicos del edificio.Los cálculos con PHPP están adjuntos a Compañía: Firma:esta aplicación.

D-64283 Darmstadt

PEPES_210913_74273160_esp8

arquiTIR projectes

Jordan Guerrero

Eva

81


PHPP, Electricidad

PHPP CasaPalau Modificado.xlsx

Plan

ificación

Passivh

aus:

D E M A N D A D E E L E C T R I C I D A D

Edificio:

CASA UNIFAMILIAR EN PALAU-SOLITÀ PLEGAMANS

Nr. de viviendas

1Viviendas

Personas

2,0

PContribución solar de ACS para lavar ropa y platos

Factores de EP

:Electricidad

2,6

kWh/kWh

Superficie habitable

99

m²

Rendimiento máximo ACS

44%

Gas natural

1,1

kWh/kWh

Demanda de calefacción

9kWh/(m²a)

Rendimiento máximo calefacción

79%

Fuente de energía para ACS/Calefacción:

1,8

1,8

Columna Nr.

12

34

56

78

8a9

1011

1213

14

Uso

¿Existente? (1/0)

¿Dentro de la envolvente térmica?

(1/0)

Demanda estándar

Factor de uso

Frecuencia de uso anual

Valor de referencia

Energía útil(kWh/a)

Cuota eléctrica

Cuota no eléctrica

Demanda de electricidad (kWh/a)

Demanda aumentada/reducida

Valor límite de eficiencia

Cuota de aportación solar

Demanda no eléctrica (kWh/a)

Demanda de energía primaria

(kWh/a)

Lavavajillas

00

1,10

kWh/uso

*1,00

*65

/(P*a)

*2,0

p=

0*100%

=0

0Co

nexió

n ag

ua fr

ía

*0%

* (1+

0,30

) *0,44

*(1-

) =

Lavadora de ropa

11

0,80

kWh/uso

*1,00

*57

/(P*a)

*2,0

p=

91*100%

=91

237

Cone

xión

agua

fría

*

0%* (1+

0,05

) *0,44

*(1-

) =

Secado de ropa:

1

13,50

kWh/uso

Humedad

residual

0,88

*57

/(P*a)

*2,0

p=

00%

=0

0Te

nded

ero

0,60

=0

0%1,00

*0

0Consumo energético por evaporación

11

3,13

kWh/uso

*0,60

*57

/(P*a)

*2,0

p=

214

*100%

* (1+

0,00

) *0,79

*(1-

0,77

) =39

71Refrigerar

11

0,39

kWh/d

*1,00

*365

d/a

*1

Viviendas

=142

*100%

=142

370

Congelador

11

0,55

kWh/d

*1,00

*365

d/a

*1

Viviendas

=201

*100%

=201

522

o combinaciones

01

1,00

kWh/d

*1,00

*365

d/a

*1

Viviendas

=0*100%

=0

0Cocinar con

11

0,20

kWh/uso

*1,00

*500

/(P*a)

*2,0

p=

200

*100%

=200

520

Elec

tricid

adCuota de

bombillas de bajo

consumo

*0%

00

Iluminación

11

11W

100%

*1,00

*2,90

kh/(P*a)*2,0

p=

64*100%

=64

166

Electrónica

11

80

W*

1,00

*0,55

kh/(P*a)*2,0

p=

88*100%

=88

229

Aparatos pequeños, etc.1

150

kWh

*1,00

*1,00

/(P*a)

*2,0

p=

100

*100%

=100

260

Total elect. aux.

327

327

851

Otros:Horno

11

150

kWh/a

150

150

390

Campana cocina

11

126

kWh/a

126

126

328

kWh/a

00

0ACS no eléctrica lavar ropa y platos

Total

1704

kWh

1489

kWh

0kWh

393943

No renovable y no eléctrico ACS lavar ropa y platos

Valor c

aract.

15,0

kWh/(m

2 a)

0,0

kWh/(m

2 a)

0,4

39,8

Valor m

áx. recom

enda

do18

50

82

2.4Simulación dinámica (DesignBuilder)


Los resultados para cargas del sistema muestran una demanda de calefacción de 8839,63 Wh/m2.

Los gráficos de ganancias internas muestran que el calentamiento sensible

es de 8439,05 Wh/m2 y el enfriamiento sensible es de -2208,62 Wh/m2.

La temperaturas de confort siempre son superiores a las del exterior, provocando que en los meses más cálidos se sufran temperaturas interiores de 26ºC, que son más elevadas que las registradas en la realidad. Sin duda no he sido capaz de igualar este dato.

El consumo total de electricidad de 1042,59 KWh/año, representado en color azul. El color rosa corresponde al consumo de biomasa de la estufa de leña. El apartado de biomasa es nuevo en esta versión y no está todavía perfeccionado

83


84


por ello este resultado no es fiable y no lo usaremos para nuestra comprobación.Los consumos desglosados de electricidad, colores azul y amarillo claro muestran que el consumo en iluminación es menor que el resto de los equipos. Las bombillas de la vivienda son todas de bajo consumo y son resultados plausibles, sin embargo como veremos en la comparación, debería ser inferior por la potencia de iluminacion mínima que admiete el DesignBuilder.

85


86


2.5Monitorización Real

Los usuarios de la Casa Palau tienen su propia estación meteorológica en la parcela y llevan un estudio de sus consumos. Aprovecharemos estos datos para nuestro estudio.

La simulación estática del PHPP nos ofrece unos datos limitados por tanto sólo podremos comparar los datos de demanda de calefacción, refrigeración e iluminación por año. En cambio la simulación dinámica de DesignBuilder ofrece un abanico mucho más amplio de resultados y podremos comparar con la monitorización las temperaturas interiores, que nos será muy útil para el apartado fase IIb: Inercia.

Es difícil comparar los datos obtenidos de la simulación con los de monitorización que corresponderían a la realidad. Los datos registrados por los usuarios fueron los de temperaturas interiores y exteriores. Se puede constatar que se mantiene el confort dentro de la vivienda tanto en verano como en invierno.

Micheel Wassouf presentó una investigación sobre la monitorización de esta vivienda en la conferencia Internacional Passivhaus de este año 2015 en Leipizig. A continuación mostraré sus resultados. Los datos de monitorización para el verano de 2014 muestran como la temperatura media exterior fue de 23,70ªC, mientras que los datos oficiales del PHPP para Barcelona miden 23,6ºC. La temperatura media interior registrada in-situ fue de 24,7ºC. Las frecuencia de sobrecalentamiento durante el total del periodo estival calculada es un 26,8% (con los datos de Barcelona climate data set). Tras modificar el PHPP para adaptarlo a las nueva situación esta tasa bajó al 16,7%, probablemente más cercano a la realidad.

La gráfica (figura número 6 del artículo) muestra el buen comportamiento de la casa. Sólo se sobrepasa la barrera crítica de los 26ºC durante un par de horas.

Si miramos los datos de una semana del verano 2014, durante el periodo de ocupación, se observa unas temperaturas muy constantes en el interior de la vivienda. Esto se debe a un comportamiento óptimo de los usuarios (se cerraron las persianas durante el día y no se abrieron las ventanas). Por otro lado se observa que puntualmente el desplazamiento de temperaturas es muy bajo, en torno a las 3 horas.

2.5Monitorización Real

87


*Gráficas extraidas del estudio de Micheel Wassouf

88

De estos datos se puede concluir que la casa se comporta de forma excelente en términos de confort térmico. Aunque la constante de tiempo (el tiempo que tarda la casa en alcanzar temperatura de confort cuando hay una ola de frio o calor) no es superior a un día en verano y el desfase de temperaturas (entre el exterior y el interior) es bastante bajo entre 3 y 5 horas. Además la temperatura máxima admitida, 27ºC, sólo se sobrepasa durante un para de horas. En el siguiente apartado estudiaremos como la masa térmica ayudaría o no a mejorar el comportamiento de estas construcciones ligeras.


2.6Conclusiones

Después de intentar asemejar las dos simulaciones lo máximo posible, tocando parámetros que no se suelen tocar, ya que normalmente se prefiere el método de cálculo que la herramienta prioriza. Recordemos que nuestro objetivo no es una simulación simple sino una comparación, como la introducción directa de los valores U o el tratamiento que hemos dado a los vidrios, puedo concluir que una equiparación de ambas simulaciones no ha sido posible.

La diferencia en la demanda de calefacción ha sido de un 2,42%, un margen de error comprendido dentro del 5% que se propuso al inicio. La diferencia en la demanda de electricidad es más significativa, un 30,33%. Esto se debe a la gran diferencia en la potencia de iluminación, 0,11 /m2 en PHPP frente al mínimo que permite DesignBuilder, 1/m2. Esto nos da consumos bastante desiguales en iluminación pero introduce más carga interna en el resto del edificio. La carga interna está directamente relacionada con la demanda de calefacción y para no alternar esta demanda que será objeto de estudio en el apartado de la inercia, asumiré este margen de error que en posteriores trabajos debo mejorar.

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Las diferencias en infiltraciones son inexistentes ya que en ambos programas se introduce el dato directamente. La diferencia en demanda de refrigeración también es 0 ya que en ambos casos se desactiva.

Esta desigualdad se debe a muchos factores derivados principalmente de la manera en que cada herramienta pide los datos y realiza el cálculo, como por ejemplo el calculo de las resistencias superficiales en los cerramientos. La simulación estática del Instituto Passivhaus prioriza en su cálculo las ganancias solares mientras que la simulación termo-dinámica del DesignBuilder prioriza las ganancias internas. Ésta última además introduce muchos más puntos de cálculo al pedir ficheros que le den resultados por horas mientras que el PHPP pide medias. También se introducen diferencias con los parámetros mínimos que admite uno y otro programa como fue el caso de la potencia de iluminación.

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fase IIbInercia


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FASE IIb. INERCIA

2.7Debate actual

La inercia térmica es un tema interesante en el mundo Passivhaus porque los edificios de bajo consumo energético se sobrecalientan durante los meses más cálidos debido a la gran cantidad de aislamiento que estos estándares requieren. El caso de Palau no es una excepción ya que sufre una tasa de sobrecalentamiento del 16,7%. Estudios realizados por el Passivhaus Institut reflejan que la tasa de sobrecalentamiento es superior en las construcciones ligeras debido a la menor inercia térmica. Las temperaturas fluctúan considerablemente más que el edificio de referencia según el estudio realizado a través de la herramienta de simulación DYNBIL para el grupo de casas en Darmstadt-Kranichstein, reflejado en el artículo: The Passive House in Summer. Summer climates in the Passive House - an important issue.

Aún así estas construcciones

registran temperaturas de confort en el interior incluso en periodos de olas de calor debido al correcto diseño desde la fase de proyecto. Una prueba de ello es la monitorización registrada durante el pasado mes de mayo en la casa Palau, donde se experimento una fuerte ola de calor, registrando temperaturas exteriores muy superiores a las que corresponden al mes de mayo en Barcelona. En el gráfico podemos observar con línea roja la temperatura exterior que oscila notablemente entre el día y la noche alcanzando picos superiores a los 35ºC mientras el interior de la vivienda no supera nunca los 24ºC .

El instituto Passivhaus exige en los casos, en los que se registran tasas de sobrecalentamiento superiores al 10% contando todas las horas del año, instalar un aporte extra de frio como un split en el caso de Casa Palau. Sin embargo el clima de Barcelona permite superar esta tasa con la ventilación natural durante las horas menos calurosas, el enfriamiento gratuito y medidas de sombreamiento exterior móviles como son las persianas alicantinas. Además estas construcciones eficientes tienen cargas internas muy bajas porque el compromiso de los clientes con la eficiencia también se extiende al uso de equipamientos electrónicos muy eficientes.

En climas donde no es posible la refrigeración nocturna o donde los clientes siguen las premisas estrictas de Passivhaus de no abrir las ventanas

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necesitan otras soluciones. La inercia térmica podía ser una de ellas, ya que ha sido una estrategia pasiva ampliamente usada en la arquitectura tradicional. Además la Directiva Europea 2010/31/EU de edificios de energía casi nula incluye la inercia como estrategia de diseño que mejora el comportamiento durante los meses de verano, reduciendo el riesgo de sobrecalentamiento. Incluye esta media dentro de las estrategias de perfeccionamiento y ampliación de las medidas de refrigeración pasivas (Parlamento Europeo 2010, pág. 153/16).

Es importante señalar que los últimos años las condiciones climáticas han cambiado experimentando una subida de las temperaturas medias (Servei Meteorològic de Catalunya, 2012, pág. 1), por tanto la inercia térmica puede jugar un papel importante para lograr una reducción de las temperaturas interiores.

El estudio realizado por Oliver Style y publicado bajo el nombre: Papel de la Inercia térmica en la refrigeración pasiva de Edificios de Energía Casi Nula en climas cálidos: caso de estudio de

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un Hotel en Tarragona muestra como la inercia térmica en edificios súper-aislados tiene un efecto mucho menor en el logro del confort térmico en el interior que otras estrategias de diseño como los cerramientos ventilados, la ventilación nocturna o el sombreamiento.

Otros estudios como las investigaciones de Sole (Sole, 2013, pág. 8) muestran que el efecto de la inercia térmica es irrelevante en el estándar Passivhaus de edificios súper-aislados. En cambio, Schnieders recomienda en

su trabajo la incorporación de cierto grado de inercia térmica en edificios bien aislados con refrigeración en climas cálidos. Aunque señala que es posible compensar una baja inercia térmica con mayor nivel de aislamiento combinado con estrategias como la ventilación nocturna y la protección solar exterior.

Jürgen Schnieders escribe en Passive Houses in South West Europe lo siguiente: “Thermal mass, or more precisely the heat capacity of the building in generally considered to be an essential

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component of passive cooling or heating strategies (cf.e.g. [Chiras 2002]. La masa térmica está considerada un componente esencial de las estrategias pasivas de refrigeración y calentamiento. (La inercia térmica o más bien la capacidad térmica de un edificio es generalmente considerado una componente esencial de las estrategias de enfriamiento o calentamiento pasivos).

Sin embargo continua diciendo que es trivial que la masa térmica sea capaz de reducir las fluctuaciones de temperaturas causadas por, por ejemplo, la radiación solar. Afirma que hablando en términos de balances energéticos, las ganancias solares o internas resultan en incrementos más bajos de temperaturas interiores cuando hay más masa térmica disponible. En invierno, esto reduce la transmisión adicional y las pérdidas por ventilación causadas por una diferencia de temperatura superior. Esto puede incluso prevenir a los ocupantes de abrir las ventanas y dejar salir el exceso de calor al exterior como harían en un edificio ligero con vidrios muy eficientes en un día soleado.

De esta forma la inercia térmica mejora el factor de calentamiento gratuito, para por ejemplo ganancias internas o solares. La utilización del factor depende mayormente de la constante de tiempo del edificio. Ésta a su vez es determinada por la capacidad calorífica y el nivel de aislamiento. Con infinitas cantidades de masa térmica, el factor de utilización se

convierte en 1, de tal manera que todo el calentamiento gratuito ganado durante un año puede ser utilizado para reducir la demanda de calefacción.

Continua recordando que cuantitativamente, en las casas pasivas situadas en centro Europa, los efectos de la inercia térmica en invierno han resultado ser tan pequeños que en la práctica se ha dejado de usar para el diseño (Feist 1998a]). En cambio, en verano, la inercia térmica reduce tanto los picos como la temperatura media (Schnieders 2003]). Sus estudios demuestran una diferencia de entre 2 y 3ºK entre construcciones ligeras y pesadas.

Esto ya nos indica que la inercia térmica tiene que ser juzgada de forma diferente dependiendo de si la temperatura interior es controlada activamente o no. Si la temperatura interior no cambia en absoluto, significa que la masa térmica no tiene ningún efecto. Por ello utilizaremos los resultados de confort interior, medido en grados centígrados, para ver cómo se altera o no la temperatura interior en la simulación o dicho de otra manera si la inercia térmica influye o no en nuestra construcción.

A continuación mostraré los resultados obtenidos al comparar la casa objeto de estudio, la Casa Palau en un clima como el de Barcelona con y sin inercia térmica además de diferentes maneras de lograr esa inercia y corroborar

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FASE IIb. INERCIA

si para este caso concreto la inercia influye o no, a través de una simulación termo-dinámica con el programa DesignBuilder. Quiero recordar que la casa se encuentra en una localidad más interior que Barcelona, más alejada de la costa y por tanto con mayor salto térmico entre el día y la noche. Por tanto los resultados de la simulación siempre serán algo diferentes que los de la realidad.

2.8Qué es la inercia térmica

Las propiedades de inercia térmica de un materia se refiere a su capacidad térmica. En el caso de un edificio estas se manifiestas en tres etapas térmicas:

1. Carga: cuando el material absorbe el calor. 2. Almacenamiento: cuando el material guarda el calor absorbido. 3. Descarga: cuando el material cede el calor almacenado.

La inercia térmica aplicada a la arquitectura pasiva funciona cuando los materiales de los cerramientos interiores captan y almacena el calor procedente

de la radiación solar durante el día y lo disipan durante la noche, calentando el espacio de forma “gratuita” en invierno. En verano se combinaría con la ventilación natural nocturna que disiparía el calor dejando la estancia fresca por la mañana. Recordemos que la inercia térmica sólo es capaz de almacenar energía nunca generarla.

La inercia térmica (I) se expresa mediante la siguiente ecuación:

I=I=√kρc

Dónde:• I = inercia térmica (J/m²•s½•K)• k = conductividad térmica (W/m•K)• λ = densidad (kg/m³)• c = calor específico (kJ/kg•K)

Para que las etapas de carga, almacenamiento y descarga sean eficaces en la refrigeración pasiva, podemos concluir que los materiales con buenas propiedades de inercia térmica tienen una conductividad media (lambda = 1 a 3 W/mK) una densidad alta (≥ 2.000 kg/m3) y un calor específico alto (≥ 1.000 J/kgK). Las propiedades de densidad y calor específico de un material se expresan en su capacidad térmica volumétrica. Un material con una densidad baja, un aislamiento por ejemplo, nunca tendrá buenas propiedades de inercia, independientemente su calor específico.

Se necesita una amplia superficie expuesta y un acoplamiento térmico

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con el aire interior, junto con un desacoplamiento térmico con el ambiente exterior del edificio. Finalmente, un material con una absortancia térmica alta será capaz de absorber y ceder mayor cantidad de calor radiante al interior del edificio (Walsh et al, 2006, pág. 4).

Los materiales con un alto nivel de inercia térmica pueden estar presentes en la construcción (estructura, forjados, tabiques), en el mobiliario, y en la envolvente térmica. La inercia térmica puede servir para desfasar los picos de temperatura al interior de un edificio según las variaciones en las ganancias internas y externas, mejorando las condiciones de confort y/o reducir el consumo energético (en caso de una climatización asistida).

La teoría dice que la inercia térmica aumenta el factor de utilización de las ganancias gratuitas (guanacias solares e internas), debido a su poder de almacenamiento energético. El factor de utilización depende de la constante de tiempo del edificio, que viene determinado por su capacidad térmica (inercia), su grado de protección térmica (nivel de aislamiento y estanqueidad) y por la relación entre las ganancias y pérdidas energéticas. En climas cálidos donde existen mayores ganancias solares, el factor de utilización se reduce, debido a un aumento en la relación de ganancias y pérdidas. La constante de tiempo también se reduce ya que se requiere un menor grado de protección

térmico debido a mayores niveles de radiación solar (Schnieders, 2009, pág. 178).

2.9Evaluación comparativa con y sin inercia térmica

Como ya he mencionado con anterioridad, el proyecto original estimó una inercia muy baja debido a que los componentes de la envolvente están formados por una estructura de madera tanto para las fachadas como para las cubiertas y aislamiento en todo el perímetro de la vivienda, además de ser fachadas y cubiertas ventiladas. El único componente que podría aportar algo de inercia al diseño original sería la solera pero al colocar el aislante por encima de esta, esta posibilidad queda eliminada.

Plantearé el estudio como una comparativa colocando la inercia en diferentes elementos constructivo y en diferentes combinaciones: - Caso 0: diseño actual - Caso 1: Inercia en solera - Caso 2: Inercia en fachadas - Caso 3: Inercia en cubiertas - Caso 4: Inercia en fachadas y cubiertas - Caso 5: Inercia en fachadas,

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cubiertas y solera - Caso 6: Inercia en particiones interiores

La solera es el único elemento constructivo del diseño actual que podría aportar algo de inercia, ya que ésta es de hormigón armado. La Casa Palau tiene el aislante sobre la solera por tanto no hay posibilidad de jugar con la inercia. Para realizar la comprobación colocaré el aislante bajo la solera.

Las fachadas y cubiertas son estructuras ligeras de madera por tanto cambiaré el material en la simulación a un hormigón armado de densidad media con una transmitancia muy similar.

Todas las particiones interiores de la vivienda son de cartón-yeso, ligeras y sin inercia térmica, cambiaré el material a un hormigón armado.

2.10Influencia de las estratergias pasivas en el diseño actual

Antes de comenzar el estudio de la influencia de la inercia, realizaré simulaciones sobre como influyen las diferentes estrategias pasivas en el diseño. Ya que en el diseño pasivo de un edificio se platean diferentes estrategias que interactúan entre si. Como hemos visto en el debate anterior los investigadores afirman que para climas como el de Barcelona otras estrategias son más efectivas para lograr el confort. Por ello realizaré las simulaciones activando y desactivando las estrategias pasivas de la Casa Palau: ventilación natural nocturna, súper-aislamiento y sombreamiento exterior.

Las estrategias que estudiaré comparadas con el diseño original son:

- Caso 1: sin ventilación natural nocturna - Caso 2: reducción del aislante al 50% - Caso 3: sin sombreamiento exterior - Caso 4a: diseño actual en Zaragoza - Caso 4b: sin ventilación natural nocturna en Zaragoza

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Resultados


Presentaré los datos comparativos en dos gráficos para comparar en una misma imagen los diferentes casos. El gráfico de líneas corresponde a las temperaturas interiores de confort y el de barras a los datos de demanda de calefacción, calentamiento sensible y enfriamiento sensible.

En el gráfico de línea se observa en la parte inferior con línea de color morado y aspas la temperatura de bulbo seco en Barcelona. En la parte superior sólo se distinguen dos tendencias la superior que corresponde al diseño original, al diseño original sin ventilación natural nocturna y al diseño original sin sombreamiento exterior. Parece que el aislamiento es la medida que más impacto tiene en el diseño actual.

Los datos de la tabla demuestra

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FASE IIb. INERCIA

cómo las temperaturas interiores para el caso de diseño original y sin ventilación natural son exactamente las mismas. Esto puede deberse al escaso salto térmico que presenta el clima de Barcelona, por ello simularé de nuevo estos dos casos con un clima con mayor salto térmico, como el de Zaragoza.

El gráfico muestra diferentes resultados según el clima, sin embargo ofrece resultados idénticos en cuanto a temperaturas de confort. Existen

dos posibilidades para explicar esta tendencia, la primera es que haya algún error en la simulación, ya que ésta ha sido revisada por dos ingenieros diferentes sin haber encontrado error alguno nos quedaremos con la segunda opción que es que la ventilación natural según está realizado el modelo en DesignBuilder no se ve afectada. Explicaré esta anomalía más afondo en el siguiente aparatado.

El gráfico de demanda de calefacción, calentamiento y enfriamiento sensible

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muestra mayores variaciones. La ventilación natural de nuevo no presenta variaciones para los dos climas. Sin embargo la reducción del aislamiento tiene un gran impacto en los tres indicadores: un aumento del 27,6% en la demanda de calefacción, un 28,37% en calentamiento sensible y un 20% en enfriamiento sensible. Lógicamente al tener menos aislante la resistencia térmica de los elementos constructivos es menor y se pierde eficiencia energética. La eliminación del sombreamiento exterior en el modelo simulado no altera la demanda de calefacción pero si reduce el calentamiento sensible un 28% y el enfriamiento sensible un 89%. Es razonable que al recibir más radiación solar la vivienda tenga menor enfriamiento sensible porque sufra mayores sobrecalentamientos.

Impacto de la ventilación natural nocturna Como hemos mencionado anteriormente la ventilación natural no parece hacerse reflejado en los gráficos anteriores. Esto se debe a que la reducción de temperatura lograda no es una medida adecuada para medir la efectividad de la ventilación nocturna. La energía que ha sido removida del edificio durante la ventilación nocturna debe ser tenida en cuenta. Esta cantidad de energía puede ser calculada de la diferencia entre la temperatura interior al final del periodo de ventilación nocturna y la correspondiente temperatura que habría alcanzado sin la ventilación nocturna multiplicado por la correspondiente capacidad calorífica. En el ejemplo presentado por Schnieders, 81 Wh/m2 son removidos en el caso de la construcción ligera y 136 Wh/m2 en el caso de la construcción pesada. A falta de tiempo dejaré esta comprobación para futuros estudios.

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FASE IIb. INERCIA

2.11Estudio de Inercia con estrategias pasivas activadas

Una vez que hemos comprobado como las estrategias pasivas si afectan al diseño veremos con la inercia impacta en el modelo con las estrategias activas. En el siguiente apartado veremos los resultados con las estrategias desactivadas.

El gráfico de líneas muestra de nuevo en la parte inferior con color rojo oscuro la temperatura de bulbo seco de Barcelona. A grandes rasgos se ve como las temperaturas varían muy poco aportando inercia térmica a los diferentes elementos. Las diferencias se encuentran entre 0,5 y 1ºC, prácticamente despreciables.

En los datos de demanda de calefacción, calentamiento sensible y enfriamiento sensible se observa la misma tendencia, apenas diferencias. Los impactos mayores se observan en los casos de inercia en fachada con una diferencia superior al 3,5% y fachada con cubierta con diferencias superiores al 2,5% en los tres indicadores. El caso de

particiones interiores parece no afectar en absoluto y el de la solera sólo se diferencia en menos de 0,5 Wh/m2.

Se puede afirmar que en este modelo introducir inercia térmica en los elementos constructivos no influye apenas en el computo de final. Esto puede ser por dos razones. La primera que de verdad no afecte o segundo que el resto de estrategias pasivas tengan mayores impactos relegando el impacto de la inercia un segundo plano.

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2.12Estudio de Inercia con estrategias pasivas desactivadas

Al desactivar todas las estrategias pasivas, ventilación natural, sombreamiento exterior y reducir el aislante al 50% se observa más movimiento en la parte superior del gráfico de temperaturas de confort. Las temperaturas interiores parecen no verse afectadas por la inercia en los meses más fríos, de noviembre a abril. Mientras que los meses más calurosos de Junio a octubre se ven diferencias de hasta 4ºC.

Las líneas de color verde y morado corresponden a los casos de inercia en fachada y cubierta, los que más influían con las estrategias pasivas activadas, son las que ofrecen temperaturas más bajas, más próximas a la media anual. El caso E que corresponde a inercia tanto en la envolvente como en la solera ofrece los datos de temperaturas más altas, esto puede ser a que los paramentos alcancen un nivel de saturación que anula su efecto completamente, porque esta línea coincide prácticamente con la de diseño original.

En el caso de la demanda de calefacción, calentamiento y enfriamiento sensible las diferencias aumenta de forma importante con respecto al caso interior, especialmente en demanda de calefacción y en enfriamiento sensible. Las diferencias de demanda de calefacción rondan el 15% de aumento, esto se debe principalmente a la reducción de aislante como vimos en el apartado anterior. El enfriamiento sensible decrece a medida que aumenta el porcentaje de inercia en la construcción. Esto se debe a que los paramentos llegan a su límite de saturación y la inercia se vuelve inefectiva.

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3Conclusiones

3. CONCLUSIONES

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3. CONCLUSIONES

Los impactos de la inercia térmica para el modelo de termo-dinámica de Casa Palau son muy modestos en comparación a los estudios realizados por Schnieders. El clima de Barcelona no es el tipo de clima que más provecho puede sacar de la inercia térmica, ya que si tiene un importante aporte de radiación solar pero tiene un salto de temperatura entre el día y la noche muy bajo. Además Barcelona disfruta de unas temperaturas medias ambiente exterior bastante similares a las de confort, especialmente durante los meses cálidos. La simulación con un clima donde el salto térmico es más acentuado muestra más influencia de la inercia, pero no he profundizado este punto en el estudio, quedará pendiente para futuras investigaciones.

Schnieders recuerda que la inercia térmica por si sola, sólo proporciona almacenamiento y no energía. Cualquier ahorro en la demanda de calefacción causada por la inercia térmica se debe por tanto a un uso mejorado de las ganancias solares y las cargas internas. Afirma también que la inercia térmica tiene efectos más significativos en los climas mediterráneos que en los centro europeos, ya que las ganancias solares durante el periodo cálido son generalmente superiores, lo que resulta en mayores fluctuaciones de temperatura y en diseños pasivos diferentes. La utilización de las ganancias solares en los climas mediterráneos como calentamiento gratuito pasivo es por tanto un factor más

importante en el balance energético. Mayores ganancias solares permiten menor aislamiento lo que aumenta la sensibilidad del factor de utilización: a la misma diferencia de temperatura, menos aislante es requerido y cualquier aumento de temperatura debido a las ganancias solares resulta en las correspondientes mayores pérdidas.

Schnieders concluye tras su estudio que la incorporación de cierta cantidad de inercia térmica es recomendable en casas mediterráneas Passive House. Debería ser posible almacenar las ganancias internas y solares en un periodo de 24 horas en la capacidad térmica del edificio a unas fluctuaciones de temperaturas moderadas (≥1K). En un edificio con cargas térmicas mínimas esto puede ser logrado con cantidades relativamente pequeñas de inercia térmica. Es más difícil en invierno que en verano, ya que el correcto control solar se usa en el último caso.

El estudio realizado sobre Casa Palau confirma como la inercia tiene efectivamente mayor impacto durante los meses de verano que los de invierno, pero su efecto es muy bajo debido a su diseño de orientación y compacidad junto al clima benévolo de Barcelona no necesita de muchas otras estrategias para lograr el confort.

Las gráficas muestran como el

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sombreamiento y el aislante son los puntos que más afectan a la casa. Al eliminarlos la inercia cobra algo de importancia. La proporción de inercia en los elementos constructivos debe ser la adecuada ya que demasiado poco, como el caso de la solera, la hace imperceptible, y demasiada como el caso de fachada, cubierta y solera, llega a límites de saturación que la invalidan igualmente.

Para el caso simulado la inercia térmica no logra mejorar la temperatura interior si no se desactivan otras medidas y sin embargo esta aumenta la demanda de calefacción. Por tanto la inercia no es la estrategia más adecuada para Casa Palau.


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4Bibliografía


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SCHNIEDERS, J. (2009). “6.4.1 Thermal Mass” en Schnieders, J. Passive Houses in South West Europe. A quantitative investigation of some passive and active space conditioning techniques for highly energy efficient dwelling in the South West European región, 2nd corrected edition, Jürgen Schnieders 2009. Darmstadt, Alemania: Passivhaus Institut.

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4. BIBLIOGRAFÍA

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5Anexos


Margarita san valentín. memoria tfm

Engineering

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