Download Energy, Comfort and Architecture - new

TAREB
Calefacción y refrigeración
1 El balance energético en edificios
Uno de los objetivos de la arquitectura debería ser proporcionar condiciones
ambientales favorables en el interior al mínimo coste. El confort térmico, uno
de los condicionantes necesarios para el confort, debería conseguirse mediante
el uso racional de la energía, así pues el edificio debería ser lo más confortable
posible durante todo el año minimizando los consumos auxiliares de energía.
Los sistemas de climatización son sólo necesarios para suplir las necesidades
que no puedan ser solventadas por métodos naturales.
El diseño arquitectónico juega un papel fundamental para alcanzar este objet ivo. El proceso de diseño debe seguir una serie de normas bien establecidas las
cuales deben ser fácilmente deducibles desde los principios básicos como se
muestra en los siguientes apartados. Aunque estas recomendaciones son válidas para cualquier circunstancia hay que prestar especial énfasis a las conclu siones finales y éstas deben ser consideradas también en países de climas
cálidos del sur de Europa.
Los términos energéticos que influencian en el balance térmico de los edificios
son:
Conducción a través de los cerramientos
Este término es proporcional al valor medio de K de la piel, y representa
pérdidas de energía en invierno y ganancias en verano. La absorción de la
radiación solar en superficies perimetrales contribuye a aumentar las ganancias
en verano pero disminuye las pérdidas en invierno. Aunque en edificios bien
aislados, las ganancias solares son escasas y casi imperceptibles.
Intercambio de aire
Este término representa la cantidad de energía necesaria para poner el aire
exterior a las condiciones del aire interior. Este intercambio de volúmenes de
aire se realiza mediante infiltración y ventilación. La infiltración depende de la
permeabilidad de la piel y puede estar controlada hasta cierto punto. Hay que
intercambiar un volumen mínimo de aire para obtener unas condiciones
aceptables de calidad del aire interior. Este intercambio representa una pérdida
de calor en invierno y una ganancia en verano.
Ganancias solares a través de los cerramientos de cristal
Este término representa la cantidad de energía solar que entra en el edificio a
través de las ventanas y otras superficies acristaladas. En este caso se obtienen
siempre ganancias de calor, tanto en verano como en invierno.
Ganancias internas
Este término incluye todas las posibles ganancias internas que se generan en
un
edificio,
normalmente
gracias
a sus
ocupantes,
alumbrado,
electrodomésticos y otros equipos. Estas fuentes de calor son debidas a las
actividades que tienen lugar en el interior del edificio.
Fuentes auxiliares de energía
Capítulo 3
Confort energético y edificios
1
TAREB
Calefacción y refrigeración
Este último término representa la cantidad de energía proporcionada por
cualquier aparato de calefacción o refrigeración que pueda ser activado
específicamente con el propósito de controlar las condiciones ambientales
interiores con el fin de proporcionar confort. De todas las variables, la
temperatura es la más obvia, aunque la humedad y la velocidad del aire
también son importantes.
1.1 Condiciones de temperatura en régimen natural
1.1.1 Pérdidas y ganancias
Aunque se puede usar un simple balance energético para describir un edificio,
las diferencias que se dan en las direcciones de los flujos de energía justificaría
inicialmente usar dos, uno para invierno y otro para verano, para acercarnos
más a la realidad. Estos balances están representados en los gráficos de la
figura 1. Mediante el análisis de estos equilibrios se llega a las ecuaciones que
definen la energía auxiliar necesaria bajo condiciones controladas.
Condiciones de invierno:
Fig. 1 - Balance energético en invierno
Q a u x = Q le Q l v −Q g s −Q gi
Condiciones de verano:
Capítulo 3
Confort energético y edificios
2
TAREB
Calefacción y refrigeración
Fig. 2 - Balance energético en verano
Q a u x = Q le Q l v Q g s Q gi
El valor que representa el intercambio de aire es :
Q v =∗C p ∗V ∗T a− T i 
y el de conducción es el siguiente:
Q c = K ∗S∗ T i − T a 
partiendo de condiciones estables, o sea, condiciones que se dan en un tiempo
suficientemente largo, ambas ecuaciones citadas se pueden utilizar para predecir las temperaturas interiores más significativas en condiciones de régimen
natural.
Q  Q g s −Q le
Invierno:
T i =T a  gi
∗V ∗C p
(1)
Verano:
T i =T a 
Q gi  Q g s Q le
∗V ∗C p
(2)
La primera conclusión que se deriva de las ecuaciones 1 y 2, es que básicamente la temperatura interior es siempre más elevada que la media exterior en
régimen natural, es decir, cuando el edificio funciona sin sistemas de apoyo
energéticos auxi- liares.
1.1.2 Balance energético para el cálculo de la temperatura interior
1.1.2.1 Condiciones de invierno
En invierno la diferencia entre la temperatura media interior y la media exterior
se debe a los aportes solares. Esta diferencia es mayor a medida que estas
aportaciones aumentan. El valor de la temperatura interior que se obtiene de la
Capítulo 3
Confort energético y edificios
3
TAREB
Calefacción y refrigeración
ecuación 1 aumentará en edificios bien aislados y con altas ganancias por radiación.
Fig. 3 - Temperaturas medias para el mes de Enero [1]
La figura.3 muestra las temperaturas medias exteriores en Europa para el mes
de Enero, habitualmente el mes mas frío del año. En las zonas térmicas donde
la temperatura exterior sea muy extrema será necesario un aporte de calefacción auxiliar para llegar a tener una temperatura interior aceptable, aunque
siempre será recomendable la contribución del aislamiento y de las ganancias
solares para reducir la potencia de ésta. En las zonas con clima más templado,
si el edificio está bien diseñado puede que no sea necesario ningún sistema
auxiliar.
1.1.2.2 Condiciones de verano
En verano, es absolutamente necesario tener pocas aportaciones solares y
ganancias internas ya que en caso contrario la temperatura media interior podría alcanzar un valor mucho más alto que la temperatura media exterior pro duciéndose sobrecalentamiento. En la figura 4 podemos ver las temperaturas
medias exteriores en Europa durante el mes de Julio, habitualmente el más
caluroso del año según los registros metereológicos. Se observa que en algu nas regiones del sur de Europa las temperaturas medias exteriores están cerca,
o incluso sobrepasan, los niveles de confort (>23ºC). En ellas, a no ser que existan estrategias pasivas de refrigeración tales como radiación, evaporación y/o
tubos subterráneos [2], no hay forma de alcanzar unas condiciones de confort
aceptables en verano, ni incluso mediante un buen diseño arquitectónico. Limi tando las aportaciones solares y aislando la piel del edificio se pueden reducir
las cargas y de esta manera se suprimirían las altas demandas de sistemas
auxiliares de refrigeración. En otras regiones de Europa, es fácil protegerse de
las temperaturas exteriores mediante el propio diseño pasivo del edificio, alcanzando temperaturas interiores de confort entre 25- 26ºC durante casi todo
el verano.
Capítulo 3
Confort energético y edificios
4
TAREB
Calefacción y refrigeración
Fig. 4 - Temperaturas medias de Agosto en Europa
[1]
1.1.3 El papel de la inercia
La inercia juega un papel fundamental en el control de la temperatura interior
en condiciones de régimen natural, tanto en invierno como en verano. De las
ecuaciones 1 y 2 se obtienen las temperaturas medias en un período determi nado ( un mes, una semana, o, al menos durante pocos días). Aún así, aparecen oscilaciones en las temperaturas interiores que será necesario reducir para
optimizar el confort interior. Este es el papel que debe jugar la masa térmica,
como demuestran varios ejemplos de arquitectura popular de las regiones más
calurosas del sur de Europa, donde el funcionamiento en régimen natural es
casi una norma. La figura 5 refleja la influencia de la inercia térmica en las oscilaciones de temperatura interior para un mismo valor de temperatura exteri or. Está claro que si las oscilaciones son poco acusadas, la inercia es alta o media y aparece un rango más amplio de tempera- turas interiores de confort. Sin
embargo, una inercia baja significa muchas horas del día donde no es posible
alcanzar el confort.
Capítulo 3
Confort energético y edificios
5
TAREB
Calefacción y refrigeración
2.
Fig. 5 - Temperaturas medias interiores en función de la inercia interior del
espacio.
1.1.4 El papel de la ventilación natural
La ventilación natural cruzada puede jugar un papel importante en verano,
junto con la inercia térmica. Si se consigue una buena ventilación natural
cuando la temperatura exterior es inferior a la interior, normalmente por la
noche, se puede evacuar gran parte de la carga térmica interior almacenada.
Este efecto de refrigeración ayuda a la masa térmica a absorber las aporta ciones de calor de el siguiente periodo de exposición solar durante el día. La
Fig. 6 - Descenso de temperatura interior mediante ventilación
natural [3].
Capítulo 3
Confort energético y edificios
6
TAREB
Calefacción y refrigeración
figura 6 pone de manifiesto como tras un cierto periodo de tiempo durante la
noche, las temperaturas interiores de la habitación bajan. [3].
1.2 Control artificial de la temperatura
Bajo condiciones de control ambiental artificial las conclusiones son bastante
similares ya que el objetivo es reducir las necesidades auxiliares energéticas.
Para reducirlas simultáneamente en invierno y en verano, es necesario:
1.2.1 Reducir la transferencia de calor a través de la piel
Para reducir la transferencia de calor a través de la piel del edificio, el valor de
su coeficiente de transmisión K debe ser bajo. La manera más fácil de
conseguir este objetivo es mediante el aislamiento. Esta estrategia será útil a lo
largo de todo el año excepto si las ganancias solares e internas son demasiado
altas, pero éstas son situaciones que hay que evitar. Acostumbran a ser el
resultado de un mal diseño arquitectónico y suponen una mayor demanda de
aire acondicionado.
1.2.2 Reducir los intercambios de aire por infiltración y
ventilación
Hay que minimizar las infiltraciones pero sólo para evitar excesos innecesarios.
Podría carecer de sentido adoptar sistemas mecánicos cuando se pueden ob tener los mismos resultados controlando mínimamente los intercambios de
aire con sistemas naturales, siempre que no nos encontremos en condiciones
extremas. Los sistemas mecánicos de ventilación pueden ser un buen complemento, si se utilizan combinados con los naturales, para asegurar un mínimo
intercambio de aire cuando las condiciones exteriores (viento y temperatura)
no son apropiadas para la ventilación natural.
1.2.3 Aumentar las aportaciones internas y ganancias solares en
invierno y reducirlas en verano
Aunque este título parezca contradictorio a primera vista, en realidad son dos
afirmaciones completamente compatibles y llevan a los conceptos más impor tantes para edificios bioclimáticos o de diseño energéticamente conciente. La
figura 7 muestra la aportación de calor, según orientaciones, en invierno, verano y equinoccios, a una latitud 40º Norte, y se puede observar lo siguiente:
1. La orientación óptima para ganancias solares en invierno es la Sur, o al
menos Sureste o Suroeste. Cualquier otra orientación contribuye poco a
la captación de la energía solar.
2. En verano la orientación Sur también es la mejor para minimizar las
ganancias solares. Es básicamente equivalente a la Norte, que recibe
poca radiación incidente a lo largo del año. Cualquier otra orientación
(SE, SO, E, O, y sobretodo los planos horizontales) supone una mayor
carga en el balance energético de verano del edificio.
3. En primavera y otoño, cuando se requiere poca refrigeración o
Capítulo 3
Confort energético y edificios
7
TAREB
Calefacción y refrigeración
Fig. 7 - Ganancias solares a través de ventanas con cristal
simple.
calefacción, acristalar a Sur es casi lo mismo como hacerlo de Este a
Oeste, desde el punto de vista de la aportación térmica por radiación.
Así, la norma será favorecer la orientación Sur, utilizando como mejor solución
superficies acristaladas, para alcanzar un buen comportamiento térmico. Estas
fachadas proporcionan ganancias solares en invierno, ayudando a reducir de
manera significativa las necesidades de calefacción en los edificios. Este princi pio puede afectar a la forma y orientación de todos los edificios. Para favorecer
la captación Sur, probablemente el mejor diseño es aquel con formas rectangulares donde los lados más largos se extienden de Este a Oeste.
En verano, esta solución no es suficiente. Aunque la orientación Sur es la
mejor, representa un aumento de las aportaciones de calor. Por lo tanto, es
necesario establecer barreras a la radiación mediante sistemas de protección.
Estos sistemas, deben actuar tanto sobre la radiación directa como la difusa,
deberían ser de color claro y colocarse por la parte exterior del edificio. Las
protecciones interiores, son mucho menos eficientes.
A partir de estos simples balances energéticos, pueden darse unas recomendaciones para obtener edificios energéticamente más eficientes:
a)Diseñar una piel térmicamente eficiente mediante el aislamiento
adecuado en muros, cubiertas y ventanas (aunque el doble cristal puede
no ser económicamente recomendable en los climas más cálidos);
b)Limitar el intercambio de aire a niveles aceptables, evitando valores
excesivos;
Capítulo 3
Confort energético y edificios
8
TAREB
Calefacción y refrigeración
c) Favorecer aportaciones solares pasivas en invierno. La forma y
orientación del edificio deben estar presentes desde el inicio del proyecto
y luego puede precisarse más (exponiendo el máximo de fachada
acristalada a Sur y procurando las obstrucciones adecuadas).
d) Proporcionar protecciones exteriores que cubran cada una de las
superficies acristaladas en verano;
e)Utilizar las ventajas que ofrece la masa térmica, particularmente cuando
el funcionamiento del edificio sea en régimen natural.
f) Permitir la ventilación natural en verano cuando las condiciones
exteriores sean favorables.
Siguiendo estas sencillas pautas, pueden diseñarse edificios que requieran
poca energía auxiliar para mantener las condiciones interiores de confort. La
refrigeración podría suprimirse también en la mayor parte de Europa, cuando
no haya ganancias internas relevantes.
2 Referencias
1. European Passive Solar Handbook, preliminary edition. Edited by P
Achard and R Gicquel. Commission of the European Communities,
1986.
3. M Santamouris. Natural Cooling Techniques. In Proceedings of the
Workshop on Passive Cooling, pp. 143- 153, Joint Research Centre,
Ispra, 1990.
4. F. Allard, et al. Natural ventilation in Buildings. James and James, 1999.
5. E. Maldonado et al. Efficient Ventilation Techniques for Buildings. DG
TREN, THERMIE report, University of Porto, 2000.
6.
Sandberg, M. "What is Ventilation
Environment, vol.16 (1981), pp.123- 135.
Efficiency?"
Building
and
7. Anderson, R. "Determination of ventilation efficiency based upon short
term tests". Proc. of the 9th AIVC Conference (Effective Ventilation),
September 1988, vol.l, pp.43- 62.
8.
Review of Low Energy Cooling Technologies”, Annex 28 of the
International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and
Community Systems Programme. Natural Resources Canada, December
de 1995.
9. Mark Zimmermann e Johnny Andersson. “Case Study Buildings, Low
Energy Cooling”, Annex 28 of the International Energy Agency, Energy
Conservation in Buildings and Community Systems Programme. EMPA,
Switzerland, 1998.
Capítulo 3
Confort energético y edificios
9
TAREB
Calefacción y refrigeración
Capítulo 3
Confort energético y edificios
10