La capacidad de una envolvente para facilitar o dificultar un intercambio energético con el exterior depende de la transmitancia, parámetro determinado a partir del espesor y la conductividad térmica de cada una de las capas que lo constituyen, así como de la naturaleza y disposición del cerramiento, pues de estas dependerá la resistencia térmica superficial de su capa límite interior y exterior.

En definitiva, la transmitancia térmica nos indica la cantidad de calor que es capaz de atravesar un metro cuadrado de superficie de un elemento constructivo, por cada grado centígrado/kelvin de diferencia que exista entre el interior y el exterior; sus unidades más habituales son W/m²·K. La resistencia térmica, que matemáticamente no es más que su inversa, expresa la misma idea.

Conocida la transmitancia térmica de cada elemento que constituye la envolvente de un edificio, el producto entre ésta y la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, nos indicará la cantidad de calor neta que ha atravesado el elemento, y el producto de dicho calor (potencia) por el tiempo en que se mantiene dicha situación, nos dará la energía intercambiada. La expresión matemática de los elementos mencionados, tendría la siguiente forma:

Como es lógico, cuanto más drástica sea la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de los edificios, mayor será la cantidad de energía transferida a través de la envolvente. En las condiciones climáticas que tenemos en España, y fundamentalmente en el interior de la Península Ibérica, donde los inviernos son fríos, tendremos que garantizar un aislamiento térmico suficiente; o lo que es lo mismo, una baja transmitancia térmica o elevada resistencia térmica, en todos y cada uno de los elementos que constituyen la envolvente térmica de los edificios.

La cantidad de aislamiento óptima vendrá determinada por múltiples factores, como son los parámetros urbanísticos (cuanto mayor sea el espesor de las fachadas y medianeras, menor será la superficie útil del inmueble), el agotamiento de la capacidad de los aislamientos a partir de un determinado espesor, la interacción con otras estrategias de eficiencia energética, el coste de ejecución, etc. En cualquier caso, en climas como el existente, por ejemplo, en Madrid (Zona D3), a día de hoy es difícil dar cumplimiento a las condiciones límite de demanda energética establecidas por el CTE DB HE1 con transmitancias térmicas por encima de 0,40-0,50 W/m²·K; es decir, con espesores de aislamiento térmico por debajo de 6-8cm.

Para generar edificios de consumo casi nulo (NZEB), en climas mediterráneos continentalizados, en ocasiones será preciso incrementar el espesor del aislamiento térmico hasta valores de incluso 15, 20 ó 25 cm (transmitancias de entre 0,30 y 0,15 W/m²·K). Es algo a lo que en España no estamos del todo habituados, pero que sin embargo ha venido siendo la práctica constructiva habitual en países europeos con climas más severos, en los que los edificios de consumo casi nulo requerirían de transmitancias incluso más bajas, del orden de 0,10 W/m2·K, y por ende de aislamientos térmicos de hasta 30-35 cm.

En régimen de refrigeración, aunque existe una tendencia que defiende que un exceso de aislamiento térmico supone un empeoramiento de las prestaciones energéticas de los edificios por la dificultad de liberar energía al exterior, lo cierto es que en climas mediterráneos, esto sólo sucede en edificios con diseños no optimizados, sin protecciones solares, con una orientación equivocada y con sistemas de ventilación deficientes. En general, el empeoramiento producido durante el periodo estival en un edificio bien aislado es despreciable, y puede ser fácilmente combatido mediante el empleo de estrategias de sombreamiento, encaminadas a reducir las ganancias por radiación solar.

Por último, indicar que además de incorporar aislamiento térmico suficiente, será imprescindible garantizar su continuidad, para minimizar la aparición de puentes térmicos. Dada su importancia, la cuantificación del efecto de los puentes térmicos en los edificios la abordaremos en una posterior entrega de esta serie.

SIMULACIÓN ENERGÉTICA | ARQUITECTURA EFICIENTE: LA ENVOLVENTE OPACA

En esta ocasión, continuaremos trabajando sobre nuestro ya conocido edificio base, de tipo residencial unifamiliar, de dos dormitorios, un baño y un salón-cocina-comedor.

En nuestra anterior entrega, optimizamos la orientación del edificio, por lo que partiremos de dicho estado para trabajar con su envolvente opaca. Nuestro objetivo será realizar las modificaciones que sean precisas para reducir ambas demandas energéticas hasta alcanzar, en último término, valores inferiores a 15 kW·h/m²·año, consiguiendo un edificio eficiente, de consumo casi nulo (NZEB); una casa pasiva.

Estas serán las condiciones de partida:

     Orientación: Sur

     Fachada: Ventilada; U = 0,52 W/m²·K

     Cubierta: Vegetal; U =   0,37 W/m²·K

     Solera: Sin aislar; U = 0,76 W/m²·K

     Carpinterías: PVC; U = 2,2 W/m²·K; color claro

     Puerta: Madera; U = 1,79 W/m²·K

     Vidrio = 4/10/6; U = 2,9W/m²·K; g = 0,76

     Ventilación = Según CTE DB HS3

     Sombreamiento local = Ninguno

     Elementos remotos: Ninguno

     Control puentes térmicos: Ninguno

El balance energético actual del edificio, es el siguiente:

Demanda de calefacción: 57,1 kW·h/m²·año

Demanda de refrigeración: 43,8 kW·h/m²·año

Siendo:

Optimización de la demanda energética a través de la envolvente opaca

Con el fin de optimizar el aislamiento térmico de los elementos constructivos opacos (en este caso: fachadas, cubierta y solera en contacto con el terreno), plantearemos tres posibilidades de mejora, cuantificando la demanda energética que presentaría la vivienda con ellas, así como su diferencia de coste de ejecución material. La siguiente tabla sintetiza los resultados obtenidos a través de las simulaciones energéticas realizadas:

Como es lógico, las mejores prestaciones en materia de eficiencia energética se obtienen en el escenario con mayor aislamiento térmico, obteniendo reducciones en la demanda de calefacción de más de un 30%, con una afección despreciable a nivel de refrigeración. Consiguientemente, el criterio para seleccionar una u otra opción será el encarecimiento que suponga cada mejora de la envolvente opaca.

De optar por la Mejora C, encontramos que con un incremento de poco más de 2.500€ respecto de la Mejora A, prácticamente se duplica el ahorro energético obtenido. El impacto de esta medida supondría un incremento de en torno al 2,5% del presupuesto de ejecución material, por lo que se entiende que es una medida razonable y perfectamente asumible; plantear mayores espesores de aislamiento térmico se desestima en el caso de este proyecto, ya que teniendo en cuenta las condiciones climáticas existentes, se considera que con las restantes estrategias de diseño aún no implementadas será factible alcanzar la demanda energética objetivo, de 15 kW·h/m²·año tanto a nivel de calefacción, como de refrigeración. Además, cabe destacar que de optarse por espesores de aislamiento térmico superiores, la relación coste-efectividad no sería tan efectiva; valga como ejemplo el hecho de que planteando espesores de 20cm tanto en fachada como en cubierta (alrededor de un 140% de lo previsto en la Mejora C), sólo se produciría un ahorro adicional del 3,28% en la demanda de calefacción, hasta alcanzar los 37,94 kW·h/m²·año.

Escogida la Mejora C, a continuación se reflejan las propiedades de la envolvente opaca propuesta para nuestro futuro edificio eficiente, de consumo de energía casi nulo (NZEB):

Éste sería su balance energético anual:

Demanda de calefacción: 39,81 kW·h/m²·año

Demanda de refrigeración: 44,98 kW·h/m²·año

En definitiva, tras las modificaciones realizadas, nos encontramos un 31,18% por debajo de una hipotética demanda energética inicial del inmueble (de haber optado por una orientación inicial este). En posteriores entregas continuaremos trabajando con otros aspectos fundamentales para generar arquitectura eficiente, como son la optimización de los huecos, la ventilación, la protección solar o los puentes térmicos, además de la ya tratada estrategia de orientación, de tal forma que logremos limitar la demanda energética a valores por debajo de 15 kW·h/m²·año tanto en régimen de calefacción, como en régimen de calefacción.

Confiamos en que el artículo haya sido de su interés. Pueden obtener más información sobre certificación energética de edificios en la página web de nuestro estudio de arquitectura.  También pueden ponerse en contacto con nosotros y realizarnos cualquier consulta a través del teléfono 91 376 61 27, por correo electrónico a través de info@fundamentarq.com, o a través del apartado contacto de nuestra página web. Fundamenta Arquitectura, Arquitectos de Madrid.

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La optimización de la orientación de un edificio para aprovechar la acción del viento es una estrategia interesante de cara a reducir la demanda de refrigeración, sobretodo en climas de tipo tropical, en los que es posible reducir de manera sencilla la temperatura interior de los edificios sin consumir energía. No obstante, el efecto real de un sistema de ventilación natural es difícil de cuantificar, y mucho más de controlar, y requiere de un análisis local, exhaustivo, en el que se tenga en consideración no sólo el propio inmueble, sino su localización, geometría, orientación, así como las características de su entorno.

En cualquier caso, en España es imprescindible, para dar cumplimiento al RITE y, en edificios residenciales al CTE DB HS3, contar con sistemas de ventilación capaces de garantizar unas condiciones controladas y permanentes de renovación del aire, e incluso de filtrado. Por ello, la ventilación de los edificios eficientes se resolverá, por lo general, no con sistemas naturales, sino empleando sistemas mecánicos de doble flujo, con recuperadores de calor de alto rendimiento, tal y como explicaremos en el artículo correspondiente a las estrategias de ventilación. Consiguientemente, la optimización arquitectónica a nivel de orientación se centrará fundamentalmente en la interacción del edificio con la radiación solar incidente.

Todo edificio situado bajo la bóveda celeste se verá afectado por la radiación proveniente del sol, y la cantidad de radiación percibida dependerá de múltiples factores, como son los elementos remotos que arrojen sombras sobre éste, los elementos locales que hagan lo propio, las características y color de sus materiales, etc. Igualmente, el efecto de la radiación variará en función de la orientación de cada uno de los planos que configuran la envolvente arquitectónica, y por ello deberá cuidarse muy bien su disposición y configuración.

En los climas de tipo mediterráneo, y especialmente en el mediterráneo continentalizado que presenta el interior de España, con inviernos son bastante fríos, será esencial garantizar que durante el periodo invernal, la mayor cantidad de radiación solar posible caliente el interior de los edificios, de tal forma que se reduzca la demanda de energía en régimen de calefacción. Para lograr esto, resultará imprescindible contar con una envolvente abierta, fundamentalmente hacia el sur, con grandes huecos capaces de absorber la máxima radiación solar posible.

En general, sería posible afirmar que en climas mediterráneos, el edificio ideal a nivel de orientación es aquel que presenta una geometría alargada, con una gran fachada con un alto porcentaje de huecos abiertos al sur, no demasiados huecos abiertos al este y al oeste -pues estas orientaciones no aportan grandes ganancias durante el invierno y sin embargo sí lo hacen en verano-, y apenas huecos abiertos al norte, pues en dicha orientación nunca se producirán ganancias solares a través de los huecos y, sin embargo, teniendo en cuenta que la transmitancia térmica de estos es mucho más elevada, se perderá más energía cuanto mayor sea la superficie de los mismos.

Es preciso subrayar que, si bien la exposición de un inmueble a la radiación solar tendrá un efecto positivo en invierno, en verano producirá el efecto contrario, especialmente en climas mediterráneos, donde las temperaturas estivales son altas. Consiguientemente, será preciso emplear otras estrategias de diseño complementarias a las de orientación, que limiten las ganancias en verano, como se verá en posteriores artículos.

SIMULACIÓN ENERGÉTICA | ARQUITECTURA EFICIENTE: LA ORIENTACIÓN

En esta y posteriores entregas, recorreremos un abanico de estrategias de diseño arquitectónico encaminadas a mejorar la eficiencia energética de los edificios, cuantificando su efecto mediante simulaciones energéticas por ordenador. Para ello, trabajaremos sobre un sencillo edificio base, de tipo residencial unifamiliar, de dos dormitorios, un baño y un salón-cocina-comedor.

Situación de partida

En su situación de partida, el inmueble cuenta con una demanda energética total de 123,20 kW·h/m²·año, de los cuales 73,6 kW·h/m²·año corresponden al régimen de calefacción y 49,6 kW·h/m²·año al régimen de refrigeración. Nuestro objetivo será realizar las modificaciones que sean precisas para reducir ambas demandas energéticas hasta alcanzar valores inferiores a 15 kW·h/m²·año, consiguiendo un edificio eficiente, de consumo casi nulo (NZEB); una casa pasiva.

Estas son las características principales del edificio en su situación actual:

Orientación: Sin determinar aún

Fachada: Ventilada; U = 0,52 W/m2·K

Cubierta: Vegetal; U =   0,37 W/m2·K

Solera: Sin aislar; U = 0,76 W/m2·K

Carpinterías: PVC; U = 2,2 W/m2·K; color claro

Puerta: Madera; U = 1,79 W/m2·K

Vidrio = 4/10/6; U = 2,9W/m2·K; g = 0,76

Ventilación = Según CTE DB HS3

Sombreamiento local = Ninguno

Elementos remotos: Ninguno

Control puentes térmicos: Ninguno

Optimización de la demanda energética a través de la orientación

A continuación, comprobaremos cómo varía la demanda energética en función de la orientación del edificio. Teniendo en cuenta el diseño arquitectónico propuesto, por las razones expuestas anteriormente, los mejores resultados deberán obtenerse en orientación sur; no obstante, simularemos cuatro hipótesis de simulación (norte, sur, este y oeste) para probarlo.

La siguiente leyenda refleja los conceptos reflejados en las tablas y gráficos adjuntos:

A. Orientación Sur

Demanda de calefacción: 57,1 kW·h/m²·año

Demanda de refrigeración: 43,8 kW·h/m²·año

B. Orientación Norte

Demanda de calefacción: 87,5 kW·h/m²·año (+53,24% respecto de la orientación sur)

Demanda de refrigeración: 28,8 kW·h/m²·año (-34,25% respecto de la orientación sur)

C. Orientación Oeste

Demanda de calefacción: 73,6 kW·h/m²·año (+28,90% respecto de la orientación sur)

Demanda de refrigeración: 49,6 kW·h/m²·año (+13,24% respecto de la orientación sur)

D. Orientación Este

Demanda de calefacción: 70,8 kW·h/m²·año (+23,99% respecto de la orientación sur)

Demanda de refrigeración: 42,2 kW·h/m²·año (-3,65% respecto de la orientación sur)

Conclusiones y estrategia de eficiencia energética

Al orientar hacia el sur la fachada con mayor acristalamiento del inmueble, reducimos significativamente la demanda de calefacción del edificio (hasta incluso en más de un 50%), toda vez que se produce un incremento de las ganancias solares a través de los elementos translúcidos de éste.

Es cierto que a nivel de refrigeración la elección de una orientación sur no es la mejor opción, pero la optimización de dicha demanda pasará por otra serie de estrategias de protección solar, esencialmente de sombreamiento local, por lo que resulta despreciable el hecho de que al orientar el edificio de esta forma la demanda de refrigeración sea algo superior a la de otras situaciones.

En posteriores entregas continuaremos trabajando con otros aspectos fundamentales para generar arquitectura eficiente, como son las propiedades de los cerramientos opacos, la optimización de los huecos, la ventilación, la protección solar o los puentes térmicos, de tal forma que logremos limitar la demanda energética a valores por debajo de 15 kW·h/m²·año tanto en régimen de calefacción, como en régimen de calefacción. Nuestro objetivo es conseguir una casa pasiva, eficiente; un edificio de consumo casi nulo (NZEB).

Pueden obtener más información sobre certificación energética de edificios en la página web de nuestro estudio de arquitectura.  También pueden ponerse en contacto con nosotros y realizarnos cualquier consulta a través del teléfono 91 376 61 27, por correo electrónico a través de info@fundamentarq.com, o a través del apartado contacto de nuestra página web. Fundamenta Arquitectura, Arquitectos de Madrid.

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En la Antigua Grecia, alrededor del siglo V a.C., Sócrates ya introdujo una tipología edificatoria que, partiendo de la domus griega, modificaba su planta para, mediante una orientación sur y un pórtico in-antis, maximizar las ganancias de radiación solar en invierno, y sombrear el interior en verano. Estas estrategias, de más de 2.500 años de antigüedad, siguen hoy vigentes y, de hecho, son la base fundamental de cualquier vivienda eficiente en climas como el que tenemos en España.

A día de hoy, la Unión Europea, consciente de la importancia de la eficiencia energética en el sector de la edificación, ha fijado una serie de objetivos a corto y medio plazo para todos los países miembros. Para el año 2020 debería reducirse un 20% del consumo de energía primaria, un 20% de las emisiones de dióxido de carbono, y haberse cubierto el 20% del consumo de energía por medio de energías renovables; por su parte, para el año 2050, se pretende lograr una reducción de un 90% de las emisiones de CO2 de los edificios.

Además, todo edificio que se ejecute en a partir del año 2020 en la Unión Europea, debe ser un “edificio de consumo casi nulo” (nearly zero energy building – NZEB); es decir, debe presentar una demanda energética reducida y cubrir su consumo fundamentalmente por fuentes de energía renovables, ya sea generando energía y consumiéndola en la propia parcela, comprando energía renovable, vendiendo energía renovable y comprando energía no renovable, o produciendo la suficiente energía renovable como para contrarrestar las emisiones derivadas por el uso del edificio.

Para dar cumplimiento a las políticas europeas, España ha mejorado sensiblemente su normativa en materia de eficiencia energética en materia de edificación, mediante la entrada en vigor en un primer momento del Código Técnico de la Edificación, y posteriormente de su revisión de 2013. Si ya la transición de las Normas Básicas de Edificación de 1979 (NBE 1979) al CTE de 2006 supuso un cambio importante en la calidad de la construcción en España en todas las disciplinas, desde el año 2013 se ha dado un salto fundamental a nivel de eficiencia energética, por la gran exigencia establecida por la revisión del Documento Básico de Ahorro de Energía.

Por su parte, la entrada en vigor, también en 2013, del Real Decreto sobre certificación energética, debería concienciar a la población sobre la importancia de la eficiencia energética en materia de edificación, propiciando de forma indirecta la rehabilitación energética de los edificios a través de una auto-regulación del mercado, pues una vivienda eficiente debería tener siempre mayor y mejor salida, que otra similar, pero menos eficiente. Consiguientemente, los propietarios de viviendas poco eficientes deberán optar, bien por reducir el precio de venta o alquiler de sus inmuebles, bien por rehabilitarlos energéticamente antes de proceder a su venta; por su parte, los compradores de viviendas poco eficientes conocerán las debilidades a la hora de afrontar su inversión, y podrán destinar parte del ahorro en la compra a rehabilitar el inmueble una vez adquirido. Además, la Administración estudia la posibilidad de premiar a los edificios más eficientes con reducciones en el Impuesto sobre Bienes Inmuebles (IBI), para fomentar la rehabilitación energética de los edificios existentes.

En realidad, es precisamente sobre los edificios ya construidos donde existe un mayor potencial de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, de consumo de energía primaria y de aumento del empleo de energías renovables. Valga como ejemplo el caso de la Comunidad de Madrid, donde a fecha de febrero de 2015, el 82,02% de los inmuebles certificados gozan de una calificación energética “E”, “F” o “G”, en un baremo que oscila de la “A” (clase más eficiente) a la “G” (clase menos eficiente).

Para mejorar la situación de los edificios existentes, así como para ejecutar edificios de nueva planta eficientes, será imprescindible, en primer lugar, minimizar su demanda energética. Para ello, deberá controlarse la pérdida de energía a través de la envolvente térmica del edificio, reducirse las pérdidas por ventilación, y optimizar las ganancias por radiación solar de forma estacional; es decir, generar una arquitectura pasiva de calidad.

Una vez logrado esto, se buscará reducir al máximo el consumo y emisiones del inmueble mediante la selección de equipos e instalaciones con un buen rendimiento y con fuentes de energía poco contaminantes, a ser posible de carácter renovable. Es importante destacar que la energía útil que obtenemos de nuestros equipos (en forma de calor o frío en el caso de equipos de climatización o de producción de agua caliente sanitaria, y en forma de luz en el caso de instalaciones de iluminación), proviene de una energía final que se transforma en función de la eficiencia de la instalación, y que, a su vez, la energía final proviene de la energía primaria, una vez esta es transformada, transportada y distribuida. Consiguientemente, la naturaleza de la energía y las propiedades de los sistemas son trascendentales a la hora de mejorar la eficiencia energética de un edificio.

Cumplidos todos estos objetivos, podremos hablar de viviendas eficientes, viviendas sostenibles, edificios de consumo de energía casi nulo, NZEB o viviendas pasivas. En definitiva, de edificios donde por las características de sus elementos pasivos, no se precisa apenas energía para garantizar unas condiciones óptimas de confort higrotérmico, y por ende, de edificios muy poco contaminantes, con un coste energético muy reducido. A diferencia de lo que ha venido sucediendo modelo de vivienda generado a lo largo del siglo XX, en el que el mal comportamiento pasivo de los edificios se ha tratado de disimular fundamentalmente mediante una incorporación masiva de la tecnología en la edificación, ahora buscamos un modelo de arquitectura diferente, en la que por medio de un buen comportamiento pasivo, sea posible reducir la tecnología a su mínima expresión.

En próximos artículos analizaremos las distintas cuestiones que será preciso evaluar para minimizar la demanda energética de los edificios, así como su consumo y emisiones de CO2.

Pueden obtener más información sobre certificación energética de edificios en la página web de nuestro estudio de arquitectura.  También pueden ponerse en contacto con nosotros y realizarnos cualquier consulta a través del teléfono 91 376 61 27, por correo electrónico a través de info@fundamentarq.com, o a través del apartado contacto de nuestra página web. Fundamenta Arquitectura, Arquitectos de Madrid.

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