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Evaluación de las infiltraciones en la edificación y aplicación al edificio del Solar Decathlon Autor: Eduardo José Garcilópez Gracia Director: Luis Miguel Romeo Jiménez Máster Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética POP en ingeniería eléctrica y energética Curso 2009/2010 20 de Noviembre de 2010 Memoria 1/2 1 Índice 1. Introducción 1 2. Experimentación y medidas 5 2.1 Procedimiento experimental 6 2.2 Resultados del experimento 9 3. Cuantificación demandas de climatización 11 3.1 Posibilidad de satisfacer demandas 12 3.2 Consideraciones previas a los cálculos 13 3.3 Cálculos de las demandas de calefacción y refrigeración 14 3.3.1 Tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE 16 3.3.2 Tasa infiltración: caudal de ventilación establecido por el CTE 22 3.3.3 Tasa infiltración: la establecida para una Passivhaus 25 3.4 Discusión de resultados 27 3.4.1 Tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE 27 3.4.2 Tasa infiltración: caudal de ventilación establecido por el CTE 31 3.4.3 Tasa infiltración: la establecida para una Passivhaus 32 3.4.4 Tabla comparativa 33 3.5 Valoración de la incorporación de un recuperador de calor 34 3.5.1 Definición 34 3.5.2 Datos de partida y consideraciones preliminares 36 3.5.3 Proceso de cálculo 36 4. Conclusiones 39 5. Bibliografía 42 6. Anexos 46 2 1. Introducción El intercambio de energía que tiene un edificio con el medio ambiente exterior que lo rodea, se produce a través de todos los elementos que componen la envolvente. Además la legislación actual (Código Técnico de la Edificación) establece cual debe ser el caudal de ventilación mínimo, pretendiendo unas renovaciones/hora a todas luces incongruentes con el concepto de ahorro energético que pretende en su primer documento (CTE HE 1) [1]. A este caudal de ventilación que en cierto modo es conocido y controlado hay que sumarle además el caudal de aire debido a las infiltraciones, flujos descontrolados del aire exterior que ingresan en el edificio por rendijas u otras aberturas no intencionales. En un edificio moderno, las pérdidas por ventilación pueden suponer más del 50% de las perdidas térmicas totales [2]. Por un lado, las causas esperables de que se produzcan infiltraciones de aire a través de la envolvente, tienen que ver con la calidad de la carpintería que se haya colocado; así pues se tendrán en cuenta los criterios establecidos por el CTE HE 1 en su apartado 2.3, en el que rigiéndose por las normas correspondientes [3,4], indica cual debe ser la permeabilidad al aire de la carpintería según la zona climática en la que nos encontremos. Por otro lado, las causas indeseables, son debidas a posibles vicios constructivos relacionados con la calidad del trabajo realizado y la supervisión de este. Los lugares típicos donde aparecen dichas infiltraciones y que han sido descritos en diversas tesis doctorales y artículos son: el empalme del techo/suelo con el muro exterior, el empalme de las paredes interiores con el muro exterior y el techo, el paso de las instalaciones eléctricas y de fontanería a través de la pared, el paso de la chimenea y conductos de ventilación a través de la pared, alrededor y a través de enchufes eléctricos e interruptores, alrededor y a través de ventanas y puertas [5, 6 y 7]. Aunque son numerosas las consecuencias debidas a la infiltración del aire exterior (rendimiento higrotérmico, salud, consumo energético, rendimiento de los sistemas de ventilación, confort térmico, ruido y resistencia al fuego ) [5], el objetivo de este trabajo es realizar un análisis del efecto que provocan dichas infiltraciones de aire en las demandas 3 energéticas de la vivienda, con el fin de determinar que medidas o tecnologías deberemos incorporar para garantizar el confort climático dentro de nuestro edificio. El dato que va a diferenciar una vivienda hermética al aire de otra que no lo es tanto, es la tasa de infiltración o intercambio de aire a través de la envolvente n 50 , que es el número de renovaciones-hora (ren/h) del volumen de aire interior del edificio a una diferencia de presión de 50Pa entre el exterior y el interior. Este valor se ve influenciado por diferentes factores; Jokisalo et al. [7] realiza un estudio centrándose en factores como el clima, las condiciones del viento, el balance del sistema de ventilación y la distribución de las fugas. Por otro lado Mattsson B. [8] analiza la influencia de la velocidad del viento, el terreno y el sistema de ventilación utilizado. Otro estudio realizado en Estados Unidos por Chan et al. [9] que contempla más de 70,000 mediciones, considera que los factores más significantes son el año de construcción del edificio y el área de suelo útil. Sin embargo, Kalamees T. [5] concluyo, gracias a su trabajo de investigación, que el número de plantas del edificio junto con la calidad y supervisión del trabajo juegan un papel significante en el hermetismo de la vivienda. En el caso de estudio también se establecen unos grados de hermetismo para los edificios y así valorar las demandas de climatización que se requiere en cada uno de ellos. De mayor a menor número de renovaciones-hora (ren/h), empezamos evaluando la vivienda en un primer grado (hermeticidad al aire baja) que corresponde con el caudal de ventilación mínimo exigido por la actual legislación (CTE), que como ya se comentó anteriormente y cuyo cálculo aparece en el Anexo B adjunto, es de 2.64 ren/h (594m 3 /h) dependiendo de la configuración y superficie de la vivienda. El segundo grado (hermeticidad al aire mediaalta), corresponde a los valores obtenidos en los diversos ensayos realizados en el edificio CIRCE, los cuales están entre las 3-4 ren/h a 50Pa (97.68m 3 /h). Para ello, se hizo uso del método estandarizado de presurización (Blower Door), un sistema de determinación que permite cuantificar el caudal de aire que fluye a través de la envolvente de un recinto. Por ultimo, el tercer grado (hermeticidad al aire alta) con una tasa de infiltración de 0.6 ren/h a 50Pa (16.74m 3 /h), que es el valor fijado para una Passivhaus [10]. Una edificación con esta denominación se refiere a una vivienda construida bajo el estándar elaborado por el Passivhausinstitut (Alemania), el cual se define como un edificio que consigue un confort climático muy alto a través de la ventilación mecánica, reduciendo el consumo energético en un mínimo posible [w1]. 4 A su vez existen otros estándares técnicos de edificación sostenible, como por ejemplo, MINERGIE ® que es un distintivo de sostenibilidad para los edificios nuevos y rehabilitados, conjuntamente respaldado por la Confederación Suiza, los cantones suizos, junto con Industria y Comercio. El confort de los usuarios que viven o trabajan en el edificio es su principal prioridad y se hace posible gracias a un alto aislamiento de los edificios y la renovación continua del aire. El consumo específico de energía se utiliza como el principal indicador para cuantificar la calidad de la construcción. Sólo la energía final consumida es relevante [11, 12 y w2]. También existe el Sistema de Clasificación de Edificios Sostenibles LEED® (Líder en Eficiencia Energética y Diseño sostenible) desarrollado por el U.S. Green Building Council (USGBC), que es un sistema estándar internacional voluntario, basado en el consenso y en criterios de mercado para desarrollar edificios sostenibles de alta eficiencia [13, 14 y w3]. . A partir de los valores calculados y los resultados obtenidos, se pueden calcular las demandas de climatización asociadas a ese flujo de aire a través de la envolvente, para así realizar las conclusiones oportunas en cuanto a que medidas tomar, como que equipos colocar y cual es el efecto de su incorporación. Por lo tanto, los objetivos de este trabajo son los siguientes:  Determinar los grados de hermetismo al aire que se van a establecer para el cálculo de las demandas de climatización.  Medir experimentalmente la tasa de infiltración de aire en un caso real (despachos edificio CIRCE) y tomarla como uno de los grados de hermetismo al aire.  Calcular las demandas de climatización asociadas a cada uno de los grados de hermetismo establecidos.  Analizar para cada caso cuales son las medidas y equipos que se deben incorporar para satisfacer las demandas de calefacción y refrigeración. En el capitulo 2, se expondrán los sistemas de determinación más utilizados a la hora de efectuar un análisis de las infiltraciones de aire en los edificios. Una breve descripción del análisis termográfico, así como de los inconvenientes más relevantes de este método. Por 5 ultimo, se explicara la metodología de ensayo a seguir en la ejecución del método estandarizado de presurización Blower Door, junto con los parámetros a introducir en el software encargado de controlar el experimento y la hoja de resultados que devuelve este tras el procesamiento de los datos adquiridos en el ensayo. En el capitulo 3, se detallan los grados de hermetismo establecidos para el cálculo de las demandas de climatización y se introducen las posibles soluciones a llevar a cabo para satisfacer dichas demandas. Tras una serie de consideraciones previas a los cálculos, se muestra el proceso a seguir en la cuantificación de las demandas de calefacción y refrigeración. Finalmente se discuten los valores de ambas demandas, explicando y comparando los resultados obtenidos en los cálculos anteriores. Por ultimo, en el capitulo 4 se recogen las conclusiones a las que se han llegado tras el análisis realizado en el trabajo y se dan una serie de recomendaciones para el diseño de la Casa Sana destina al concurso Solar Decathlon. 6 2. Experimentación y medidas Es necesario llevar a cabo un análisis experimental mediante la ejecución de ensayos, que permitan localizar las aberturas o rendijas a través de las cuales tienen lugar las infiltraciones Un sistema de determinación muy utilizado es el análisis Termográfico [15], la radiación infrarroja emitida por los cuerpos es captada gracias a una cámara termográfica y sabiendo que la temperatura esta directamente relacionada con la potencia emisiva superficial según la ley de Stefan-Boltzmann (P = σAeT 4 ), una inspección de este tipo permite observar las diferencias de temperatura de los materiales que componen la envolvente del edificio. Figura 1 – Inspección de mosaicos; (a) imagen de la fachada del edificio; (b) imagen térmica de la zona interior del rectángulo de (a); (c) vista en primer plano de la zona interior del rectángulo de (b). [18] Este método es significativamente útil, ya que gracias a las imágenes que devuelve la cámara es posible detectar fallos en el aislamiento de una vivienda sin necesidad de dañarla. Es una tarea compleja, pero a la vez muy importante a la hora de tomar medidas correctoras 7 que mejoren el hermetismo a los flujos de aire a través de la envolvente. En el caso de las mediciones “in situ”, diversos factores externos que afectan la medición de la radiación ocurren a menudo. Algunos de estos factores son: los efectos del contorno, el ángulo de incidencia o la forma de la superficie. La existencia de estos factores no es un problema importante en la adquisición de datos, ya que siempre es posible eliminarlos o cuantificarlos. Hay, sin embargo, un fenómeno que es mucho más difícil de cuantificar o eliminar y cuya presencia es muy frecuente en los trabajos realizados en edificios antiguos, llamado atenuación atmosférica. Este puede, en muchos casos, afectar o eliminar la señal recogida por la termocámara. [16] Otro inconveniente que tiene esta practica es, la laboriosa tarea a realizar, que consiste en introducir en el equipo la emisividad de cada uno de los materiales que componen el edificio, pudiendo obtener imágenes erróneas, debido a discontinuidades en la composición de la envolvente y por tanto en la emisividad del material, las cuales hacen pensar que existe una diferencia de temperaturas que en realidad no la hay. Como ultimo detalle, este método no permite cuantificar el flujo de aire que se está infiltrando en la vivienda, con lo que deja de ser útil si se quiere dar valores al hermetismo de un edificio [15, 17]. 2.1 Procedimiento experimental Debido a los inconvenientes que presenta el análisis termográfico, habrá que hacer uso de otro sistema de determinación, el método estandarizado de presurización llamado Blower Door. Mediante los ensayos realizados siguiendo este proceso se obtiene el n 50 que permite normalizar el ratio de pérdidas con el volumen del edificio, lo cual permite comparar de forma relativa el hermetismo entre edificios de diferente tamaño. Una característica de un ensayo con el Blower Door es que este dispositivo permite realizar el proceso ya sea presurizando o despresurizando el recinto. El ensayo que se detalla a continuación corresponde a una despresurización, ambos son similares en su ejecución salvo alguna pequeña diferencia que se explica durante la descripción del proceso. 1º) Requiere llevar a cabo una previa observación de la vivienda, así como de los elementos que la componen: 8 • Tipo de ventanas y orientación • Tipo de puerta y lugar de acceso • Sistema de calefacción • Sistema de refrigeración • Sistema eléctrico (tomas de corriente, interruptores, luminaria,..) • Composición del techo 2º) A continuación es necesario medir la superficie (m 2 ) y el volumen (m 3 ) de la vivienda, ya que es un dato imprescindible para el cálculo final de renovaciones-hora. Teniendo en cuenta que la geometría de la vivienda puede resultar compleja, se añade un rango de incertidumbre de un 5 %. 3º) Seguidamente se procede a la instalación del equipo Blower Door. Para ello, el encargado de realizar el ensayo debe situarse en la puerta de entrada de la vivienda y realizar las siguientes indicaciones: • Levar a cabo un preajuste del marco metálico del Blower en el marco interior de la puerta. • Proceder a la colocación de la tela en el marco metálico y ajustar por completo en el marco interior de la puerta.(ver Figura 2) Figura 2 – Colocación tela y marco metálico  Situar el Blower o ventilador con el anillo C (por experiencias anteriores) en el hueco habilitado para este. (ver Figura 3 y Tabla 1) 15 Además se necesitan datos climáticos de la ciudad donde se va a localizar dicha vivienda, que en este caso tiene como fin ser presentada en el concurso Solar Decathlon, que tendrá lugar en el año 2012 en la ciudad de Madrid. Para ello se consultaron diferentes paginas Web de meteorología [w4, w5] pero en ninguna de ellas aparecen temperaturas horarias por lo que se descarto su uso y finalmente dicha información fue proporcionada por el Departamento de Ingeniería Mecánica (Área de Maquinas y Motores Térmicos) [29]. La hoja Excel con datos climáticos de Madrid en un año típico (1989) incluye entre otras cosas temperaturas medias horarias y humedades relativas medias horarias, datos imprescindibles para el calculo de las demandas de calefacción y refrigeración debidas tanto a ganancias como a perdidas por calor sensible y por calor latente. En cuanto a la velocidad del viento, factor que influye en la diferencia de presión entre el exterior y el interior de la envolvente y que determinara la tasa de renovaciones/hora del edificio, decir que este dato fue obtenido de la base de datos de una pagina Web de Meteorología [w4] pero en este caso si que se trata de medias mensuales para todo el año, comprendidas entre 7.6 y 14.7 km/h. En cuanto a los meses en los que se van a evaluar las demandas de climatización, separar por un lado la refrigeración, para la cual tomaremos Junio, Julio, Agosto y Septiembre (mes con gran inercia térmica) y por el otro lado la calefacción, para la cual tomaremos desde mediados de Octubre hasta Marzo. Quedan fuera del cálculo los meses de Abril y Mayo, en los cuales las demandas son prácticamente nulas. Con todos estos datos ya se puede proceder al cálculo de las demandas de climatización asociadas a dicha tasa de renovaciones/hora, para así realizar las conclusiones oportunas en cuanto a que medidas tomar, como que equipos colocar y cual es el efecto de su incorporación. 3.3 Cálculos de las demandas de calefacción y refrigeración Los cálculos se dividen en dos partes: las demandas asociadas a las pérdidas por calor sensible y las demandas asociadas a las pérdidas por calor latente. Para el cálculo de las pérdidas por calor sensible es necesario conocer: por un lado, el caudal de aire infiltrado a 16 través de la envolvente para cada uno de los meses, que variara en función de la velocidad media mensual del viento. Por otro lado, las características del aire que se esta introduciendo en la vivienda (densidad y calor especifico). Y por ultimo, las temperaturas medias horarias durante el año, que junto con la temperatura de consigna interior, determinan el incremento de temperatura a realizar por los equipos de climatización. El cálculo de las pérdidas por calor latente es algo más complejo, ya que partiendo de la temperatura del aire exterior y su humedad relativa se debe obtener la humedad específica de este, para así junto con la humedad especifica del aire interior (calculada de la misma forma) determinar cual es la diferencia entre estas. Con este dato, el caudal de aire infiltrado y las características del aire húmedo se pueden calcular las demandas de climatización debidas a las perdidas por calor latente para cada uno de los meses del año. Finalmente, se calcula la demanda de calefacción, que tiene únicamente componente sensible y la demanda de refrigeración, que tiene componente sensible y latente. Obteniendo así, ambas demandas para todo el año en cada uno de los grados de hermetismo al aire impuestos, para posteriormente evaluar que medidas o equipos de climatización son capaces de cubrir tanto la demanda de calefacción como la de refrigeración. El proceso de cálculo se repite en tres ocasiones para obtener las demandas de climatización asociadas a cada uno de los grados de hermetismo al aire establecidos: 1. Grado medio de hermetismo al aire, con una tasa de infiltración determinada por experimentación realizada en el edificio CIRCE: n 50 = 3.5ren/h a 50Pa 2. Grado bajo de hermetismo al aire, con una tasa de infiltración de aire igual al caudal de ventilación mínimo exigido por la actual legislación (CTE): n CTE = 2.64ren/h 3. Grado alto de hermetismo al aire, con una tasa de infiltración como la establecida para la construcción de una Passivhaus: 17 n 50 = 3.5ren/h a 50Pa Con esto se quiere comparar la energía necesaria para climatizar una misma vivienda con cada uno de los grados de hermetismo al aire y así determinar cual de ellas se considera más recomendable. 3.3.1 Tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE Mediante el cálculo de la demanda asociada a la ventilación, para un caudal de ventilación de aire a través de la envolvente n 50 =3.5 ren/h a 50 Pa (CIRCE), se obtiene la energía necesaria para mantener el recinto en unas temperaturas de confort (20ºC invierno, 25ºC verano) y con una humedad relativa moderada (H.R.=50%) durante todo el año. Cálculo de las demandas por calor sensible Es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular y por lo tanto su estado. En general, se ha observado experimentalmente, que la cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y el número de grados en que cambia su temperatura. La carga térmica sensible por infiltración de aire exterior se determina con la siguiente fórmula: s h KTT Kkg kJ Cp m kg aire h m VkWQs extaire 3600 1 )(|ªª| 3 3 )( int ×−×         ×       ×       = ρ Donde: Qs (kW), es la carga térmica sensible por ventilación o infiltración; V (m3/h), es el caudal de aire infiltrado o de ventilación y que es el producto del volumen del recinto por el nº de veces que se renueva dicho volumen de aire; Vol (m 3 ), es el volumen de aire del recinto a analizar, 225m 3 n i (1/h), es el numero de veces que se renueva el volumen en una hora; ρ (kg/m 3 ), es la densidad del aire a 20ºC y humedad relativa 50%, 1.2 kg/m 3 ; Cp aire , es el calor específico del aire a P atm y 20ºC, 1.01 kJ/kg K ; 18 ∆T (K), es la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior | ext TT ªª int − | Tomando como Tª interior del recinto una Tª de consigna para los equipos de refrigeración (Verano) de 25ºC (298 K) y una Tª de consigna para los equipos de calefacción (Invierno)=20ºC (293 K). Para calcular la tasa de infiltración de aire n i (ren/h) y así el caudal de este V (m 3 /h) en cada uno de los meses, se necesitan las velocidades medias mensuales y una función que relacione la diferencia de presión entre el exterior y el interior del edificio con la velocidad del viento (Figura 5), obteniendo las presiones (ver Tabla 4) que se están ejerciendo en la envolvente a lo largo del año. Figura 5 - Curva velocidad del viento (km/h) / Presión (Pa) Vviento (Km./h) Presión (Pa) Ren. (1/h) Caudal (m3/h) Enero 7,6 5,8 0,41 91,37 Febrero 9,21 6,6 0,46 103,90 Marzo 8,17 6,07 0,42 95,62 Junio 6,7 5,4 0,38 85,04 Julio 9,16 6,57 0,46 103,48 Agosto 8,4 6,18 0,43 97,39 Septiembre 6,99 5,53 0,39 87,03 Octubre 6,92 5,49 0,38 86,54 Noviembre 11,41 7,86 0,55 123,83 Diciembre 8,51 6,24 0,44 98,25 Tabla 4 – Velocidad viento, presiones, tasa de infiltración y caudal de aire infiltrado Vel. viento (km/h) presión = 3,1632e 0,0798· Vviento R² = 0,9903 0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 50 Dif. presión (Pa ) 19 Con estos datos se pueden obtener las pérdidas por calor sensible a partir de la fórmula vista anteriormente. Una vez calculadas como potencia en kW, se expresan en unidades de energía (kWh/m2) mediante la conversión que aparece en el Anexo D adjunto. Para ello se necesita conocer las horas de funcionamiento de los equipos de climatización en cada mes, que se detallan en la Tabla 5; por un lado las horas que se pone en marcha la refrigeración (al pasar de 25ºC la temperatura interior) y por otro lado las que opera la calefacción (al disminuir de 20ºC la temperatura interior). Tomando un horario de operación de los equipos de las 24 horas diarias cubriendo así la máxima ocupación. Con una superficie de 75 m 2 también necesaria para la conversión. Demanda Qs {kW} Demanda Qs {kWh/m2} Mes Verano Invierno Horas funcionamiento Verano Invierno Enero 0,35 744 3,52 Febrero 0,37 672 3,28 Marzo 0,27 744 2,68 Junio 0,06 145 0,12 Julio 0,12 292 0,48 Agosto 0,11 264 0,39 Septiembre 0,07 105 0,10 Octubre(15-31) 0,17 408 0,84 Noviembre 0,37 720 3,53 Diciembre 0,37 744 3,72 TOTAL 4838 1,09 17,57 Tabla 5 – Demandas por calor sensible Los valores que se obtienen y que quedan recogidos en la Tabla 5 muestran una gran diferencia entre las perdidas por calor sensible durante el periodo invernal (17.57kWh/m 2 ) y el estival (1.09kWh/m 2 ). Esto es debido principalmente a que en invierno la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior es significativamente grande (las temperaturas exteriores son bastante bajas y apenas se acercan a la temperatura de consigna de la calefacción, 20ºC). En cambio, durante el periodo de verano las temperaturas exteriores se encuentran en torno a la temperatura de consigna de la refrigeración, 25ºC (sobrepasándola en contadas ocasiones). Estos resultados tendrán un claro efecto en las demandas de climatización, originando mayores consumos en la calefacción que en la refrigeración del recinto a lo largo del año. 20 Cálculo de las demandas por calor latente Es aquel que recibe un cuerpo y hace que disminuya su humedad. Mientras se produce no hay un cambio de temperatura, pero si una variación en la humedad del aire infiltrado, la cual nos determinara el incremento de energía necesario para acondicionar ese aire, a una humedad de confort en el interior (50%), la cual será distinta de la exterior. Este calor se calcula de la siguiente forma: ( ) s h kg kg XXx kg kJ x m kg x h m VkWQl húmedoaire agua ext agua húmedoaire aire 3600 1 ||h intfg 3 3×         −                         = ρ Donde: Qs (kW), es la carga térmica sensible por ventilación o infiltración; V (m3/h), es el caudal de aire infiltrado o de ventilación y que es el producto del volumen del recinto por el nº de veces que se renueva dicho volumen de aire; Vol (m 3 ), es el volumen de aire del recinto a analizar, 225m 3 n i (1/h), es el numero de veces que se renueva el volumen en una hora; ρ (kg/m3), es la densidad del aire húmedo a 20ºC, 1.3 kg/m 3 h fg , es la entalpía de vaporización del agua a P atm y 20ºC, 2.45 · 10 3 kJ/kg ∆X (kg agua / kg aire húmedo ), es la diferencia de humedades específicas, | int XX ext −| Al igual que para el cálculo del calor sensible, hay que hacer uso del caudal de aire infiltrado procedente del exterior. Estos valores serán los obtenidos de la Tabla 4. Para calcular ∆X en (kg agua / kg aire húmedo ), se emplea: φ (humedad relativa) = )( 2 TaP Pp sat OH Si φ = 50%  Pp H2O = 0’5 x P sat (T a ) [en donde T a es la Tª interior o exterior (ºC)] Para calcular la P sat (T a ) se aplica la siguiente fórmula, la cual es una aproximación de tablas termodinámicas y que se ha consultado en una pagina Web [w7]. Ver Tabla 6. P sat (T a ) = exp (60.433 - 6834.271/ T a - 5.16923 * ln T a ) x 100 21 Donde: T a es la temperatura en ºK. T int {ºC} T ext {ºC} P sat int {Pa} P sat ext {Pa} Enero 20,00 6,16 23,35 9,58 Febrero 20,00 7,44 23,35 10,53 Marzo 20,00 9,95 23,35 12,53 Junio 25,00 20,67 31,63 14,56 Julio 25,00 24,35 31,63 31,48 Agosto 25,00 23,89 31,63 30,57 Septiembre 25,00 20,47 31,63 24,73 Octubre 20,00 13,67 23,35 15,98 Noviembre 20,00 9,41 23,35 11,96 Diciembre 20,00 6,40 23,35 9,76 Tabla 6 - P sat ( Tª) interior y exterior Teniendo las humedades relativas (φ) tanto interiores como exteriores de cada mes, y teniendo las P sat (T a ), se puede calcular las Pp H2O (Ver Tabla 7). Hum rel int {%} Hum rel ext {%} Pp H2O int {Pa} Pp H2O ext {Pa} Enero 50,00 73,02 11,67 6,84 Febrero 50,00 64,77 11,67 6,56 Marzo 50,00 53,58 11,67 6,41 Junio 50,00 45,27 15,81 10,34 Julio 50,00 36,71 15,81 10,43 Agosto 50,00 38,28 15,81 10,69 Septiembre 50,00 47,92 15,81 11,01 Octubre 50,00 61,67 11,67 9,35 Noviembre 50,00 69,88 11,67 8,10 Diciembre 50,00 74,34 11,67 7,07 Tabla 7 – Pp H2O interior y exterior (Pa) Conociendo las siguientes formulas se lleva a cabo el cálculo de la humedad específica (ver Tabla 8). X (humedad específica)= OHoaire OH mm m 2 2 sec + Con lo que la humedad específica queda: 22 X= )()( 22 22 secsec OHOHoaireoaire OHOH PMxnPMxn PMxn + = aire OH P Pp 2 X = )622'0()( 622'0 22 2 xOHPpOHPpPatm xOHPp +− ; P atm aire =934650 Pa int X{kg agua /kg aire } ext X{kg agua /kg aire } | ext X- int X| {kg agua /kg aire } Enero 0,008 0,005 0,003 Febrero 0,008 0,004 0,003 Marzo 0,008 0,004 0,003 Junio 0,010 0,007 0,004 Julio 0,010 0,007 0,004 Agosto 0,010 0,007 0,003 Septiembre 0,010 0,007 0,003 Octubre 0,008 0,006 0,002 Noviembre 0,008 0,005 0,002 Diciembre 0,008 0,005 0,003 Tabla 8 – Humedad especifica (kg agua /kg aire ) Con estos datos se pueden obtener las pérdidas por calor latente a partir de la fórmula vista anteriormente. Una vez calculadas como potencia en kW, se expresan en unidades de energía (kWh/m2) mediante la conversión que aparece en el Anexo D adjunto. Para ello se necesita conocer las horas de funcionamiento de los equipos de climatización en cada mes, detalladas en la Tabla 9; por un lado las horas que se pone en marcha la refrigeración (al disminuir del 50% la humedad interior) y por otro lado las que opera la calefacción (al pasar del 50% la humedad interior). Tomando un horario de operación de los equipos, las 24 horas diarias, cubriendo así la máxima ocupación. Con una superficie de 75 m 2 también necesaria para la conversión. 23 Demanda Qlat {kW} Demanda Qlat {kWh/m2} Mes Verano Invierno Horas funcionamiento Verano Invierno Enero 1,67 744 16,55 Febrero 1,77 672 15,83 Marzo 1,82 744 18,05 Junio 1,88 720 18,05 Julio 1,85 744 18,35 Agosto 1,76 744 17,46 Septiembre 1,65 720 15,84 Octubre 0,81 408 4,38 Noviembre 1,23 720 11,83 Diciembre 1,59 744 15,77 TOTAL 6960 69,70 82,42 Tabla 9 - Demandas por calor latente En cuanto a los valores obtenidos para las demandas de climatización, debidas a las perdidas por calor latente, que se muestran en la Tabla 9, señalar que en este caso el valor que influirá de forma más acentuada en el calculo es la diferencia de humedades especificas entre el exterior y el interior. Dadas las condiciones climáticas del emplazamiento de análisis (Madrid), la humedad especifica del aire exterior siempre esta por debajo de la humedad específica del aire interior de la vivienda. Tanto en invierno como en verano, esta disminución de la humedad interior debido a la infiltración de aire menos húmedo, esta en torno a los mismos valores (Tabla 8) obteniendo unas demandas similares para ambos periodos. Las demandas obtenidas por calor latente tienen un orden de magnitud similar al de los valores recogidos en la Tabla 5 (calor sensible), aunque en este caso no es tanta la diferencia entre un periodo y otro, como pasaba con las demandas por calor sensible debido a la gran diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior del recinto. 3.3.2 Tasa infiltración: caudal mínimo ventilación establecido por el CTE El proceso de cálculo es similar al que se ha visto anteriormente, pero en este caso para un caudal de ventilación de 594m 3 /h = 2.64 ren/h según el CTE HS 3 Tabla 2.1 [30]. Dichos cálculos se encuentran detallados en el Anexo D obteniendo las siguientes demandas por calor sensible y calor latente (ver Tablas 14 y 18): 24 Demandas por calor sensible Demanda Qs {kW} Demanda Qs {kWh/m2} Mes Verano Invierno Horas funcionamiento Verano Invierno Enero 2,31 744 22,88 Febrero 2,09 672 18,75 Marzo 1,68 744 16,62 Junio 0,44 145 0,84 Julio 0,71 292 2,76 Agosto 0,68 264 2,39 Septiembre 0,49 105 0,68 Octubre(15-31) 1,13 408 6,16 Noviembre 1,77 720 16,95 Diciembre 2,27 744 22,48 TOTAL 4838 6,68 103,84 Tabla 14 – Demandas por calor sensible Los valores que se obtienen y que quedan recogidos en la Tabla 14 muestran una gran diferencia entre las perdidas por calor sensible durante el periodo invernal (103.84kWh/m 2 ·año) y el estival (6.68kWh/m 2 ·año). Esto es debido principalmente a que en invierno la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior es significativamente grande (las temperaturas exteriores son bastante bajas y apenas se acercan a la temperatura de consigna de la calefacción, 20ºC). En cambio, durante el periodo de verano las temperaturas exteriores se encuentran en torno a la temperatura de consigna de la refrigeración, 25ºC (sobrepasándola en contadas ocasiones). Estos resultados tendrán un claro efecto en las demandas de climatización, originando mayores consumos en la calefacción que en la refrigeración del recinto a lo largo del año. En comparación con los resultados obtenidos en la Tabla 5 (demandas por calor sensible con tasa infiltración experimentos CIRCE) se aprecia en ambos periodos una considerable diferencia entre ellos. De los 17.57kWh/m 2 ·año a los 103.84kWh/m 2 ·año (invierno) y de los 1.09kWh/m 2 ·año a los 6.68kWh/m 2 ·año (verano), esta gran diferencia se debe esencialmente a que el caudal de aire a acondicionar es en este caso considerablemente mayor, de 97.68 m 3 /h a 594 m 3 /h (estos valores de recogen en la Tabla 3 del capitulo 3). 31 (siendo el aire exterior mas caliente y menos húmedo que el aire del interior del recinto). Ver Figura 7. Figura 7 - Transformaciones del aire con la refrigeración (diagrama psicométrico) [w6]  El aire del interior del recinto se encuentra en las condiciones ideales (1).  El aire interior se mezcla en una determinada fracción con el aire exterior, resultando una corriente de mezcla con temperatura superior y humedad inferior. La energía aportada por el aire exterior en esta transformación es la carga de ventilación que siempre tendrá componentes sensible (incrementa temperatura) y latente (incrementa humedad).  Esta mezcla se lleva a una batería de frío que deja el aire en condiciones de impulsión. El paso del aire a través de la batería hace que pierda temperatura, pero también se produce una pérdida de contenido en agua (humedad), ya que generalmente la temperatura de la mezcla será superior a la temperatura de rocío correspondiente al aire de impulsión, desprendiéndose una cierta cantidad de agua por condensación. 32  El aire impulsado (3) se lleva de nuevo al recinto, donde vence las cargas térmicas del local hasta llegar al punto 1, donde empieza a repetirse de nuevo el ciclo. Sin embargo, puede ocurrir que el aire exterior sea más seco que el requerido en el interior, como es el caso de Madrid. En este caso el control de la humedad dependerá de la carga latente en el local: si ésta es mayor que la carga latente de ventilación (10,96kWh/m 2 ·año), será posible controlar la humedad con el equipo de refrigeración, si es menor, este equipo necesitará de algún dispositivo que incremente la humedad del aire. Así, habrá casos en los que no sea posible alcanzar la humedad de confort (50%) con el empleo de un equipo de refrigeración, siendo necesario recurrir a equipos con sistemas de humectación. Q refrigeración = Q sensible = 1.09kWh/m2·año Una solución a este problema con la carga térmica por calor latente, es la colocación de estanques artificiales o difusores, que disminuyan la temperatura del aire exterior gracias a un aumento del contenido en agua de este antes de ser introducido en la vivienda. Con ello se reducen las demandas por calor sensible, consiguiendo a su vez un confort higrotérmico adecuado gracias al aporte de humedad adicional que proporciona la incorporación de alguno de esos elementos. Otra solución que se comentó anteriormente y que también puede servir de gran ayuda en el caso de la refrigeración es la incorporación de un recuperador de calor entálpico. 3.4.2 Tasa infiltración: caudal de ventilación establecido por el CTE Demanda de calefacción Al igual que en el caso anterior (tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE) se concluye, que aunque los equipos de calefacción únicamente son capaces de aportar calor sensible, para conseguir un nivel de confort aceptable en la vivienda, también se requiere un 33 aporte de humedad al aire interior por las pérdidas debidas al calor latente, 82.42kWh/m 2 ·año (aire exterior con menor humedad específica). Q calefacción = Q sensible = 103.84kWh/m2·año Demanda de refrigeración Como se comentó en el caso anterior (tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE) el control de la humedad dependerá de la carga latente en el local: si ésta es mayor que la carga latente de ventilación (69.70kWh/m 2 ·año), será posible controlar la humedad con la batería de frío, si es menor, la batería de frío necesitará de algún dispositivo que incremente la humedad del aire. Q refrigeración = Q sensible = 6.68kWh/m2·año 3.4.3 Tasa infiltración: la establecida para una Passivhaus Demanda de calefacción Al igual que en el caso anterior (tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE) se concluye, que aunque los equipos de calefacción únicamente son capaces de aportar calor sensible, para conseguir un nivel de confort aceptable en la vivienda, también se requiere un aporte de humedad al aire interior por las pérdidas debidas al calor latente, 2.39kWh/m 2 ·año (aire exterior con menor humedad específica). Q calefacción = Q sensible = 3.01kWh/m 2 ·año Demanda de refrigeración Como se comentó en el caso anterior (tasa infiltración: resultados experimentales CIRCE) el control de la humedad dependerá de la carga latente en el local: si ésta es mayor que la carga latente de ventilación (1.88kWh/m 2 ·año), será posible controlar la humedad con 34 la batería de frío, si es menor, la batería de frío necesitará de algún dispositivo que incremente la humedad del aire. Q refrigeración = Q sensible = 0.19kWh/m2·año 3.4.4 Tabla comparativa Con el fin de contemplar mejor la diferencia entre las demandas de climatización para cada uno de los tres niveles de hermetismo al aire, establecidos en este trabajo, a continuación se reúnen en la Tabla 10: Grado hermetismo al aire caudal [m3/h] Dem. calefacción [kWh/m2·año] Dem. refrigeración [kWh/m2·año] 1. Legislación (CTE) 594.00 103.84 6.68 2. Experimental 97.68 17.57 1.09 3. Passivhaus 16.74 3.01 0.19 Tabla 10 – Tabla comparativa demandas climatización para los tres grados de hermetismo al aire 0 20 40 60 80 100 120 Dem. calefaccion [kWh/m2·año] Dem. refrigeracion [kWh/m2·año] Legislacion (CTE) Experimental (CIRCE) Passivhaus Figura 8 - Grafica comparativa demandas climatización para los tres grados de hermetismo al aire Se aprecia claramente la diferencia en las demandas entre los tres grados de hermetismo al aire, viendo una vez más lo ineficiente que resulta el establecer como bueno el caudal mínimo de ventilación exigido por la actual legislación (CTE). La cual conlleva a unas demandas de climatización elevadas, calefacción = 103.84kWh/m2·año y refrigeración = 6.68kWh/m2·año (detalladas en Tabla 10), para lo que a aclimatación de un recinto tan 35 pequeño se refiere. Por otro lado, también se aprecia una gran diferencia entre las demandas de calefacción y las de refrigeración y eso es debido a que las temperaturas medias horarias obtenidas para Madrid durante el año 1989 son realmente moderadas situándose cerca de la temperatura de consigna de refrigeración (25ºC). Como se menciona en la discusión de los resultados (apartado 3.4), los equipos de climatización no son capaces de controlar la humedad. Los equipos de calefacción, porque únicamente satisfacen las demandas debidas a las perdidas por calor sensible (disminución de la temperatura) y los equipos de refrigeración, porque dadas las condiciones climáticas de Madrid durante el verano (humedad especifica exterior inferior que la interior), el control de la humedad dependerá de la carga latente del recinto, pudiendo ser necesaria la incorporación de algún dispositivo que aumente la humedad del aire. Ahora bien, si en vez de tener unas demandas de climatización elevadas (las asociadas al caudal de ventilación mínimo establecido por el CTE), se tienen unas demandas mucho más bajas (las obtenidas para una tasa de infiltración como la de una Passivhaus) la necesidad de incorporar dispositivos que controlen la humedad del aire no es tan relevante. Además, estos tienen un coste económico adicional, de inversión y de consumo eléctrico, lo que implica un mayor desembolso si realmente se pretende mantener unos niveles de confort saludables en la vivienda. Diversas soluciones bioclimáticas, como situar algún lago artificial o la colocación de césped vegetal, pueden satisfacer las necesidades de humedad en el aire exterior (verano). Pequeños difusores u otros sistemas de humectación de bajo consumo, ayudaran a contrarrestar las perdidas de humedad interior (invierno) causadas por el funcionamiento de los equipos de calefacción. 3.5 Valoración de la incorporación de un recuperador de calor 3.5.1 Definición También conocido como un intercambiador de calor, intercambiador de aire o intercambiador aire-aire, un recuperador de calor, es un sistema de ventilación que emplea a un contra-flujo de calor entre la entrada y la salida del flujo de aire. El recuperador de calor permite una eficaz renovación del aire sin derrochar el calor del interior del recinto. Esto permite ahorrar energía de calefacción en valores entre 15 y 30% dependiendo de la calidad de las ventanas y puertas respecto a su permeabilidad al aire [25, 26]. 36 Estos dispositivos de dividen en dos grupos: los recuperadores de calor (sensible) y los recuperadores da energía o entálpicos, que además recuperan parte de la humedad del aire de extracción (ver Figuras 9 y 10). Figura 9 – Recuperador de calor (RC) Figura 10 – Recuperador de energía (RE) Tipo Fabricante Modelo Caudal (m3/h) Consumo eléctrico(W) Precio (€) Sin IVA Eficiencia (%) RC ECOVENT KWL EC30 30 2 X 2 1110 70 RC ASPIRNOVA RCA-550-H 600 2 x 85 1584 67 RC GALLETI REKO 06 600 180 2530 68 RE DAIKIN VAM650FA 650 280 2594 74 RE MITSUBISHI LGH-65RX5-E 650 315 - 77 Tabla 25 - Fabricantes Se plantea cual sería el resultado de incorporar uno de estos equipos a un edificio, como afecta a los consumos de calefacción, haciendo un balance entre el ahorro energético conseguido y el consumo eléctrico del dispositivo. En primer lugar se deben realizar unas consideraciones preliminares para proceder a la simulación del comportamiento energético a lo largo de un año y así obtener las nuevas demandas que requiere la vivienda con la incorporación del recuperador de calor. 37 3.5.2 Datos de partida y consideraciones preliminares Conociendo que en principio se trata de climatizar una vivienda de 75 m2 (225 m 3 ), y si asumimos un flujo de aire exterior de 594 m3/h, establecido por el CTE, que corresponde a 2,64 ren/h. Ante esa situación, se ha seleccionado un Recuperador de Calor de la marca TECNA ASPIRNOVA modelo RCA-550-H [w8], cuyo caudal máximo es de 600 m3/h, de tal manera que manejando 594 m3/h las perdidas de carga serán las mínimas posibles. Como se muestra en la Tabla 25 dicho dispositivo tiene una eficiencia del 67%, aunque el cálculo se realizara con una eficiencia en la transmisión de calor del 50% ya que como se sabe el equipo no siempre estará trabajando en sus máximas exigencias. Por último añadir que dado que las mayores demandas de climatización se dan en invierno, es decir, con la calefacción (calor sensible), se eliminan los meses calidos del cálculo y se centrará en ver que ahorros obtenemos durante el periodo invernal o mejor dicho en los meses en que hay demanda de calefacción. Todo este proceso se encuentra detallado en el Anexo F adjunto, obteniendo como resultado final la Tabla 26 que se muestra a continuación. 3.5.3 Proceso de cálculo T extracción (ºC) T admisión (ºC) T impulsión (ºC) T extracción -T impulsión (ºC) Enero 20,00 6,16 13,08 6,92 Febrero 20,00 7,44 13,72 6,28 Marzo 20,00 9,95 14,97 5,03 Octubre 20,00 13,67 16,83 3,17 Noviembre 20,00 9,41 14,70 5,30 Diciembre 20,00 6,40 13,20 6,80 Tabla 26 - Demandas calefacción con recuperador de calor Como se puede ver la demanda de calefacción debido al calor sensible ha disminuido bastante, de los 103.84 kWh/m 2 ·año a 51.54kWh/m 2 ·año, lo que representa un ahorro del 50% (eficiencia 50%), es decir, 52.3kWh /m 2 ·año. 38 Ahora bien, si suponemos que la calefacción esta compuesta por una caldera de gas natural con un rendimiento del 0.8, el ahorro en el consumo de calefacción resulta el siguiente: (52.3kWh/m 2 ·año x 75 m 2 )/ 0.8 = 4903.12kWh/año Tomando como tarifa básica del gas natural 0.04695€/kWh (Inferior o igual a 5.000kWh/año) el ahorro económico es el siguiente: 4903.12kWh/año x 0.04695€/kWh = 230.2€/año Por otro lado, el recuperador de calor incorpora dos ventiladores de 85W con lo que su consumo eléctrico es el siguiente: 2 x 85W x 4008h/año = 681.37kWh/año Y tomando como tarifa eléctrica 0.12€/kWh, el consumo de dicho dispositivo a lo largo de un año es de: 681,37kWh/año x 0.12€/kWh = 81.76€/año Con lo cual, el ahorro económico resultante de la diferencia entre el ahorro conseguido en calefacción y el consumo adicional del equipo es: 230.2€/año – 81.76€/año = 148.44€/año Sabiendo que el equipo cuesta en torno a los 1900€ recuperaríamos el valor de la inversión al cabo de: P.R.=1900€ / 148.44€/año = 12.8 años El periodo de retorno de la inversión realizada seria algo mayor que si la eficiencia fuese del 75% (P.R. = 8.4años), como se recomienda en diferentes artículos que tratan al respecto [26, 27]. Los recuperadores entálpicos tienen mayores eficiencias debido a la recuperación de calor total, lo que los convierte en una buena solución. 39 Aun así, si se tiene en cuenta que la vida media útil de un edificio nuevo son 25 años o más, la incorporación de uno de estos equipos puede estar originando beneficios a partir de los 13 años, con media vida útil de la vivienda por delante. Con esto se quiere decir que es una buena alternativa para ahorrar consumos de climatización, en este caso de calefacción, y aun más cuando se dan unas demandas tan altas. 40 4. Conclusiones Las técnicas de construcción de los edificios mediante un buen aislamiento no tienen el efecto deseado si no se lleva a cabo una buena ejecución y supervisión de la obra, pudiendo dar lugar a infiltraciones de aire indeseables por diversos vicios constructivos. A su vez se debe tener especial cuidado con la ventilación natural de la vivienda ya que esta puede suponer más del 50% de las pérdidas totales de calor. A la hora de construir el edificio destinado al concurso Solar Decathlon se ha de tener en cuenta que siempre será mejor una vivienda de una planta que de dos, ya que esta ultima tendrá mayor tasa de infiltración de aire exterior por el siempre hecho del efecto chimenea que se producirá en su interior. Esto se explica mediante resultados experimentales en un estudio realizado a 170 viviendas unifamiliares en Finlandia [7]. Son varios los estándar de edificación sostenible existentes en la actualidad (MINERGIE, LEED, PASSIVHAUS,…) por lo que a la hora de elegir uno de ellos, bajo el cual construir nuestra vivienda, se debe tener en cuenta los interés con los que se quiere edificar, buscando así el que más se adecue a ellos y que más criterios comparta con la idea que se tiene. Así pues el caso de estudio se apoya en el estándar de edificación sostenible Passivhaus que aparte de ser uno de los mas extendidos internacionalmente, se adapta considerablemente bien a toda la UE y comparte técnicas de construcción como puede ser la incorporación de un recuperador de calor, un buen aislamiento de la envolvente y una tasa de infiltración de aire significativamente baja, entre otras cosas. Es importante tener en cuenta, que los resultados obtenidos en los ensayos realizados, corresponden a una edificación nueva. Por experiencia de los expertos encargados de la realización de los ensayos, la mayoría de las viviendas existentes en la actualidad sobrepasan dichas tasas de infiltración (4-10 ren/h a 50Pa), ya que se estaría hablando de edificios con mayor antigüedad. Para estos una buena alternativa podría ser el uso de la IHR (Infiltration Heat Recovery), es decir, si se hace un lavado de la envolvente del edificio, colocar un aislamiento que funcione dinámicamente recuperando así parte del calor que se esta perdiendo por las diferentes aberturas.