Buch lesen: «Programas informáticos en eficiencia energética en edificios. ENAC0108»

Capítulo 1

Simulación energética de edificios

1. Introducción

En la actualidad se está incrementando de forma considerable el interés por la mejora de la eficiencia energética en la edificación debido al gran interés que surge sobre la necesidad de cuidar el medio ambiente que nos rodea.

Los problemas medioambientales como la contaminación, el efecto invernadero y otros factores que conducen al calentamiento global y a un conjunto de efectos maliciosos sobre la naturaleza conllevan intentar imponer medidas de mejora en este sentido en la mayoría de los ámbitos en los que el hombre se desenvuelve y, por supuesto, también en los procesos de edificación.

Esto queda puesto en evidencia por diversas normativas comunitarias, como la Directiva 2006/32/CE del Parlamento Europeo y del Consejo sobre la eficiencia del uso final de la energía y los servicios energéticos, así como la Directiva 2010/31/UE, en la que se establecen los nuevos requisitos y condiciones en relación con el consumo energético de las edificaciones que desde el 1 de febrero de 2012 deberán cumplir los Estados miembros de la Unión Europea.

A partir de estas normativas europeas, a nivel nacional también se ha creado un marco legislativo en torno a la eficiencia energética de edificios, partiendo de la normativa básica, el Real Decreto 47/2007, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción, y el Real Decreto 235/2013, de 5 de abril, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios de nueva construcción y que también propone como objetivo la certificación y la clasificación energética del parque inmobiliario, siempre y cuando estos edificios tengan por objetivo el alquiler o la venta.

Además, esta normativa se extiende a nivel autonómico y local.

Pero no solo en los países de la UE la eficiencia energética de edificios está teniendo una amplia repercusión, sino que países como EE. UU. han desarrollado sus productos software y una legislación para la mejora de la eficiencia energética en los edificios, ya sean viviendas, locales comerciales, etc., con la correspondiente mejora medioambiental.

Para poder llevar a cabo la certificación energética, tal y como se establece según este marco legislativo, se ha creado una serie de protocolos y programas software específicos que faciliten y mejoren el trabajo. Así, en este texto se pretende proporcionar los conocimientos adecuados para el manejo de los programas habilitados para tal fin en la actualidad.

2. Modelado de transferencia térmica y de masa de edificios

En este primer capítulo del texto se van a proporcionar los conocimientos necesarios para el uso adecuado de los programas informáticos de simulación del comportamiento energético de los edificios de uso habitual en el proceso de certificación energética.

Para llevar a cabo sus funciones, estos programas se basan en un modelo teórico experimental de los procesos que intervienen en el intercambio energético en el edificio. Por ello, para poder comprender el comportamiento de este tipo de software, es necesario conocer los modelos sobre los cuales trabajan.

2.1. Procesos de transferencia de calor y de masa en edificios

El objetivo de este punto es estudiar cómo se comporta el cerramiento del edificio ante la variación de las condiciones climáticas en el exterior, ya que estas marcarán las necesidades de aporte energético al interior de la edificación, ya sea para calefacción o para refrigeración del edificio, y con ello el consumo energético de esta.

La intención de la climatización de la edificación es mantener un ambiente confortable. Lo ideal sería conseguir este confort con un uso cero de energía. En base a este objetivo, se tendrán en cuenta todos los elementos que intervienen en las transferencias de energía en las edificaciones.

Como primera aproximación se puede decir que la intención es mantener una temperatura constante en el interior.

En el exterior de la edificación se van a producir variaciones de las condiciones climatológicas. Por ejemplo, la variación de la temperatura del día a la noche, el cambio de las condiciones climatológicas del verano al invierno, etc.

La cuestión es: ¿cómo afectan estos cambios a las condiciones climatológicas en el interior de la edificación? Y en consecuencia: ¿qué medidas habrá que tomar desde el punto de vista del aporte energético?

Para analizar estas cuestiones es muy importante conocer cómo se comporta el cerramiento de la edificación ante las variaciones, ya que este proporciona la separación entre ambos ambientes y, por lo tanto, de él dependerán los principales procesos de intercambio energético.

Antes de continuar es importante conocer la estructura de los cerramientos de los edificios desde el punto de vista de los programas de simulación. Así, los distintos programas de simulación dividen el cerramiento del edificio en dos sistemas con comportamientos distintos:

1 Paredes y techos.

2 Sistemas de acristalamiento.

No solo es necesario conocer cómo se estructura el cerramiento de la edificación, sino que también será importante tener una idea de cómo se producen los procesos de intercambio de energía térmica.

La transferencia de energía térmica se puede producir por tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

El proceso de transmisión de energía térmica por conducción se produce en materiales sólidos y se debe principalmente a la variación de energía cinética de sus moléculas sin movimiento de masa. Por otro lado, la convección se produce por el movimiento de masa a distinta temperatura, por lo que se dará en líquidos y gases.

En cuanto a la radiación, la transferencia de energía se debe a los procesos de absorción y emisión de ondas electromagnéticas de sus partículas y se ven afectados por ella tanto sólidos como líquidos y gases.

Nota

El transporte de energía térmica por radiación no necesita masa como soporte, mientras que en los procesos de conducción y convección sí es necesario.

Como se verá a lo largo del capítulo, los procesos de transferencia de energía térmica en los edificios se deben a los tres factores, pudiendo actuar alguno concreto sobre algún elemento o combinados en otros.

Actividades

1. Proporcionar un ejemplo con su correspondiente explicación de cada uno de los procesos de transmisión de los procesos de energía calorífica que se puedan producir en una vivienda.

Masa térmica del edificio

Los procesos de intercambio de energía en los edificios a través de los muros y los techos del cerramiento se producen a partir de la transferencia de calor entre el ambiente exterior y las zonas internas, principalmente por conducción. Los cerramientos que separan el ambiente exterior del interior son denominadas partes opacas de la edificación o masa térmica.

Definición

Masa térmica

Representa la capacidad del cerramiento de almacenar calor. No se debe confundir con la masa del cerramiento físico del edificio. Esta dependerá del material, el espesor, etc.

Al variar la temperatura en algún extremo del cerramiento se produce un flujo de calor. Este flujo de calor (energía térmica), que va desde el extremo de mayor temperatura al de menor temperatura, pasará por un estado transitorio con una variación hasta llegar al estado estacionario donde, si las temperaturas en los extremos de la edificación permanecen constantes, el flujo de calor también será contante.

En la siguiente imagen se muestra la distribución de temperaturas en el interior del cerramiento así como la evolución temporal del flujo de calor debido a la conducción.

Definición

Calor

Cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo.

Observando el gráfico anterior, donde T_ext representa la temperatura exterior de la edificación y T_int la temperatura interior, se deduce que la temperatura no será la misma en todo el elemento del cerramiento, sino que dependerá de las existentes en sus extremos. Su valor medio vendrá dado por:

Esta temperatura media implica que haya un almacenamiento de energía térmica en el muro.

Teniendo en cuenta la temperatura en los extremos del muro, se puede definir la energía calorífica que almacena un muro en forma de calor como:

Donde:

1 ρ: representa la densidad del material constructivo y se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m3).

2 cp: es la capacidad calorífica y se mide en Julios por kilogramo de material por grado Kelvin (J/kg·K).

3 V: el volumen en metros cúbicos (m3) del cerramiento.

4 A: el área en metros cuadrados (m2) de la pared del cerramiento.

5 L: el espesor en metros (m) del cerramiento.

Actividades

2. Si la temperatura en los extremos del cerramiento de una vivienda son de T_ext = 30 °C y T_int = 21 °C, ¿cuál será la temperatura media a la que se encuentra el cerramiento?

3. Realizar un cuadro detallado con las magnitudes (volumen, espesor, etc.) y sus unidades (metros cúbicos, metros, etc.) donde se proporcione una descripción de la magnitud así como de las unidades y los valores típicos relacionados con el tema que se está tratando.

En el estudio del balance energético en edificaciones suele ser más interesante conocer la energía térmica o calor almacenado por unidad de superficie en un determinado cerramiento, es decir, la cantidad de energía que un metro cuadrado de un determinado material y un determinado espesor es capaz de almacenar. La cantidad de calor por unidad de superficie se determina por la expresión anterior, de forma que:

De forma que:

C representa la capacidad del muro de almacenar energía, siendo su unidad el Julio por metro cuadrado por Kelvin (J/m²K). Para una misma superficie, cuanto mayor sea el valor de C mayor energía térmica es capaz de almacenar el cerramiento. Como se puede ver, C dependerá del espesor del muro, pero también de su material constructivo, ya que la capacidad calorífica (c_p) y la densidad (ρ) son características de cada tipo de material.

Nota

La capacidad calorífica c_p de un sustancia mide la cantidad de energía en forma de calor que es necesaria suministrarle para aumentar su temperatura un grado kelvin (o equivalentemente un grado Celsius).

Donde c es el calor específico y m la masa.

El calor específico (c) indica la cantidad de calor que es necesaria suministrar a un kilogramo de sustancia para elevar su temperatura un grado. Esta es una cantidad intensiva y, por lo tanto, es la que va a permitir comparar los efectos de distintas sustancias desde el punto de vista térmico, como se muestra en la siguiente tabla.

Aplicación práctica

Supóngase que se tienen dos cerramientos, el primero está fabricado de ladrillo y el segundo de hormigón. Ambos cerramientos tienen un espesor de L = 0,25 m. La densidad del hormigón está en torno a 3.200 kg/m3, y la del ladrillo es aproximadamente de 2.000 kg/m3.

Determine cuál de los dos cerramientos tiene una mayor capacidad de almacenar energía térmica en forma de calor.

SOLUCIÓN

La capacidad de almacenamiento de calor del muro de un cerramiento se determina a partir de la expresión:

C = ρ · C_P · L

Es decir, para poder calcularla se deben conocer algunas propiedades del material constructivo como son la densidad y su capacidad calorífica. Además, habrá que conocer el espesor del muro.

Para los materiales considerados se tiene que el hormigón presenta un calor específico de 0,88 y el ladrillo de 0,84.

Con estos datos se puede establecer que:

Para el hormigón:

C = ρ · C_P · L = 3000 * 0, 88 * 0, 25 = 660

Para el ladrillo:

C = ρ · C_P · L = 2000 * 0, 84 * 0, 25 = 420

Así que el muro de hormigón tendrá más capacidad de almacenar calor.

Como se puede ver, comparando el valor de C para diversos materiales, se puede tener una idea de cuál tiene una mayor capacidad de almacenar energía térmica.

Otro parámetro que caracteriza la transferencia de energía es la resistencia térmica. Esta se puede entender como la oposición al paso del calor que presenta el muro, es decir, su capacidad de aislamiento térmico. Su expresión matemática es:

Donde k es la conductividad térmica del material del que está fabricado el cerramiento, siendo este parámetro una propiedad física de los materiales cuyas unidades son:

Y L el espesor del cerramiento dado en metros (m).

Actividades

4. Si la conductividad térmica del aluminio es de 200 W/m·K, ¿cuál será la resistencia térmica que presenta una placa de aluminio de 0,02 m de espesor?

La inversa de la resistencia térmica se denomina transmitancia térmica y su fórmula matemática es:

Nota

La conductividad térmica es alta en metales, como por ejemplo en el aluminio usado para los marcos de las ventanas, mientras que es muy baja en materiales como la fibra de vidrio, que se utiliza como aislante térmico en los cerramientos.

Otro factor que juega un papel fundamental en el estudio del comportamiento térmico de los edificios es el producto R.C.. A partir de este producto se determina el valor de difusividad térmica, que indica la rapidez con la que el calor se transmite en el cerramiento.

Definición

Difusividad térmica α

Relación entre la conductividad térmica y la capacidad de almacenamiento térmico o capacidad calorífica por unidad de volumen del material.

Como se ha comentado, la difusividad térmica de una medida es la velocidad con la que la energía se mueve dentro del cerramiento, estando relacionada con el producto R·C. Así, a mayor R·C más tiempo tarda la energía térmica en forma de calor en propagarse por el muro.

Recuerde

La resistencia térmica proporciona una indicación de la cantidad de energía en forma de calor que se puede transmitir por el cerramiento, mientras que el valor de R · C dará una indicación del tiempo que tarda esta energía en propagarse por el muro.

Concretando, se puede establecer que, si un edificio tiene poca masa térmica, la respuesta de su cerramiento dependerá principalmente de la resistencia térmica que limitará la cantidad de energía que traspasa este. En este caso, al cambiar las condiciones exteriores, los cambios se propagarán por el cerramiento rápidamente, de forma que los sistemas de climatización que mantienen la temperatura constante en el interior tendrán que entrar en acción para hacer frente a dichos cambios. Por otro lado, si la masa térmica del edificio aumenta, su cerramiento tiene más capacidad de absorber energía y, por lo tanto, se produce un retraso en la propagación de los cambios.

Recuerde

La masa del edificio introduce efectos dinámicos, mientras que los efectos estáticos dependen principalmente de la resistencia térmica.

Ejemplo

Como muestra del efecto de la masa térmica en edificios, se encuentran algunas construcciones antiguas donde, en zonas cálidas y sin necesidad de climatización, la temperatura de su interior permanece aproximadamente constante a lo largo del día, pese a las horas de mayor sol. Esto se debe a que el cerramiento tiene una gran masa térmica y debido a ella se produce un promediado de las temperaturas nocturnas y diurnas. Además de la masa térmica, estos edificios mantienen muy limitada la irradiación en el interior debido a las pequeñas ventanas, lo cual también favorece a mantener una temperatura agradable en el interior.