Mejoras potenciales en confort térmico tras la adecuación a normativa de la envolvente de viviendas del movimiento moderno

                Intervenções no Património Arquitetónico do Mo.Mo. Actuaciones en el Patrimonio Arquitectónico del Mo.Mo. 2 Fundação DOCOMOMO Ibérico documentação e conservação da arquitectura e do urbanismo do movimiento moderno Fundación DOCOMOMO Ibérico documentación y conservación de la arquitectura y el urbanismo del movimiento moderno Actas XII Congreso DOCOMOMO Ibérico XII Congresso DOCOMOMO Ibérico Valladolid,27-29/9/2023 Instituciones organizadoras / Instituições organizadoras: Fundación DOCOMOMO Ibérico / Fundação DOCOMOMO Ibérico Universidad de Valladolid Colegio Oficial de Arquitectos de Castilla y León Este Colegio Oficial de Arquitectos de León Patrocinio / Patrocinio Junta de Castilla y León Ayuntamiento de Valladolid Fundación Arquia Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Valladolid Bodegas y Viñedos La Mejorada Colegio de Arquitectos de Valladolid Trycsa - Técnicas para la Restauración y Construcciones Asemas B the travel Brand Saint-Gobain 3A estudio Comité científico / Comitê científico Gonçalo Byrne, OA Nieves Fernández Villalobos, UVa Virginia Gallego Guinea, IT-CSIC Marta García de Casasola Gómez, USe Eduardo González Fraile, UVa Mercedes Linares Gómez del Pulgar, USe Antonio Pizza de Nanno, UPC Alberto Sanz Hernando, COAM Antonio Tejedor Cabrera. USe Comité organizador / Comitê organizador Celestino García Braña, Fundación DOCOMOMO Ibérico Susana Landrove Bossut, Fundación DOCOMOMO Ibérico Daniel Villalobos Alonso, UVa Sara Pérez Barreiro, UVa Darío Álvarez Álvarez, UVa Susana Moreno Falero, COACYLE Eva Testa San Juan, COAL Patronato de la Fundación DOCOMOMO Ibérico / Patronato da Fundação DOCOMOMO Ibérico Consejo Andaluz de Colegios de Arquitectos Consejo Superior de los Colegios de Arquitectos de España Colegio Oficial de Arquitectos de Aragón Colegio Oficial de Arquitectos de Asturias Colegio Oficial de Arquitectos de Cantabria Colegio Oficial de Arquitectos de Castilla-La Mancha Colegio Oficial de Arquitectos de Castilla y León Este Colegio Oficial de Arquitectos de Extremadura Colegio Oficial de Arquitectos de la Comunidad Valenciana Colegio Oficial de Arquitectos de la Rioja Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid Colegio Oficial de Arquitectos de Murcia Colegio Oficial de Arquitectos Vasco Navarro Colexio Oficial de Arquitectos de Galicia Col·legi d’Arquitectes de Catalunya Col·legi d’Arquitectes de les Illes Balears Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad de Sevilla Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad de A Coruña Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad de Valladolid Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universitat Politècnica de València Fundación Arquia Fundación Colegio de Arquitectos de León Fundación Mies van der Rohe Instituto Andaluz del Patrimonio Histórico Ordem dos Arquitectos Responsable de la edición / Responsável da edição Susana Landrove Bossut Sara Pérez Barreiro Daniel Villalobos Alonso Diseño gráfico / Desenho gráfico Sara Pérez Barreiro Yolanda Casado Ignacio Alfonso García García Foto portada: Daniel Villalobos Alonso ISBN 978-84-09-54567-4 ȢȢȦAplicación Resumen: En España, aproximadamente el 30% del parque edificatorio residencial fue construido entre los años 1960 y 1980, antes de la aplicación de normativas energéticas referentes a las envolventes de los edificios. Muchas de estas edificaciones fueron concebidas bajo la influencia del movimiento moderno, extendiéndose numerosos conjuntos patrimoniales de viviendas sociales obsoletas por toda Europa. Esto supone que un amplio porcentaje de las viviendas en uso no aseguran unas condiciones mínimas de habitabilidad y confort interior a las personas que los habitan. Es por esto, que la actualización de las condiciones termo-energéticas del parque edificatorio se convierte en un asunto crucial. Esta investigación plantea cuantificar las mejoras potenciales de confort interior de una vivienda actualizando valores de su envolvente a las exigencias actuales del CTE. Para ello, una vivienda de un conjunto residencial social del movimiento moderno en Valencia se ha modelado y simulado en el software Design Builder. Se ha obtenido el porcentaje de horas en confort anuales comparando el escenario actual sin adaptar, con el hipotético cumplimiento del CTE, contrastando además los resultados según un índice de confort estático y uno de confort adaptativo. Los resultados muestran que el caso de estudio cuenta con un aceptable comportamiento térmico pasivo actual, y que Javier Sola-Caraballo Dpto. de Construcciones Arquitectónicas I, E.T.S. Arquitectura, Universidad de Sevilla, Sevilla (España) Mejoras potenciales en confort térmico tras la adecuación a normativa de la envolvente de viviendas del movimiento moderno Ȣȣȝ tras la aplicación de CTE en la envolvente, se consiguen considerables mejoras en el porcentaje de horas anuales de confort interior, llegando hasta el 94% de horas anuales según el índice adaptativo europeo. Palabras clave: Movimiento moderno, Patrimonio construido, Simulación termo-energé- tica, Confort térmico, CTE. ȢȣȞAplicación 1. INTRODUCCIÓN Según un informe emitido por el Gobierno Español, aproximadamente el 30% de los edificios del parque residencial nacional fue construido entre los años 1960 y 1980 (MITMA, 2013). Estos edificios, construidos en la mitad del siglo XX son fruto de la urgente necesidad de vivienda que se produjo en los años posteriores a la Guerra Civil española. Esa época de expansión económica y urbana coincidió con la consolidación de la corriente artística del movimiento moderno (MoMo) en Europa, y su llegada, algo más tardía, a España. La paulatina apertura internacional del régimen propició la llegada de las influencias del MoMo, que se fueron plasmando en el diseño y construcción de las nuevas barriadas sociales promovidas por el Gobierno (Centellas et al., 2009), que se estaban alojando en las periferias de las ciudades industriales. Estas promociones de vivienda presentaban sustanciales novedades urbanas y constructivas con respec- to a lo que había sido la construcción tradicional. Además, también se introdujeron nuevas soluciones técnicas y de construcción, que fomentaban la estandarización, prefabricación y la velocidad de los trabajos (Palomares Figueres & Jordá Such, 2010). Algo que en las condiciones del momen- to se convirtió en crucial. Por otra parte, estos conjuntos residenciales comenzaron a contemplar algunas nociones climáticas y condiciones mínimas de salubridad. Estas consideraciones eran promovidas por los propios arquitectos, en consonancia con los principios del MoMo (Barber, 2020), pero pronto fueron incorporadas en las nuevas normativas y ordenanzas estatales de construcción. Sin embargo, a pesar de esas consideraciones climáticas, los edificios de aquel tiempo fueron proyectados y construidos para hacer frente a unos climas más templados. Además, todos datan de una época anterior a la crisis energética de los años ochenta, cuando aún no existía la preocupación en torno al consumo y eficiencia energética en los edificios (Silva et al., 2021). Por lo que, en general, estos conjuntos edificatorios fueron construidos con envolventes pobres desde el punto de vista energético actual. Ȣȣȥ • Cubierta: en los años noventa fueron intervenidas a nivel general, aportándole nuevas capas superiores con 4cm de aislamiento XPS, lámina impermeabilizante asfáltica y nueva solería. • Carpinterías: la más comunes son de acero con vidrios simples. En esta investigación, para realizar el análisis mediante simulación comparativa se ha escogido como caso de estudio, el tipo de vivienda más común y representativo del conjunto, la vivienda en doble crujía, pasante, con ventilación cruzada, situada en los bloques lineales, en plantas intermedias y orientada norte-sur (Roa-Fernández et al., 2022) (Fig. 02). Por tanto, teniendo en cuenta que se ubica colindante entre viviendas (y la caja de escalera), la envolvente del caso de estudio está compuesta por el muro bicapa de medio pie, el pretil de las antiguas terrazas y ventanas con carpinterías de acero y vidrio simple. 3. METODOLOGÍA 3.1. Estudio de la obsolescencia de la envolvente respectos a los estándares termo-energéticos del CTE Como paso previo a la simulación y cálculo, se ha realizado una caracterización constructiva del estado actual de las Fig. 02. Planta de viviendas original del bloque lineal con la vivienda caso de estudio sombreada. Fuente: (García-Ordóñez & Dexeus Beatty, 1963). (Open Access). ȢȣȦAplicación envolventes. Esta se ha obtenido mediante el estudio de la documentación histórica del proyecto del conjunto residencial. En este documento se explica gráficamente mediante secciones la composición de los elementos constructivos de la envolvente. Estos datos fueron contrastados y ampliados durante visita de campo in situ, en la que se pudieron recoger los cambios sufridos por las viviendas y su envolvente. De esta forma se han dibujado las secciones constructivas tipo de la envolvente en fachada de la vivienda caso de estudio (Fig. 03). Posteriormente se han calculado las transmitancias térmicas de los tipos de envolventes del caso de estudio. Para ello se ha empleado la aplicación Econdensa2 (Aurea Consulting, 2012), que, mediante la aplicación de los materiales y propiedades recogidas en el catálogo de materiales del CTE, se suman las resistencias térmicas de las diferentes capas que componen los cerramientos. Finalmente, los datos de transmitancias obtenidas se han comparado, de una parte, con las transmitancias exigidas originalmente en las Ordenanzas Técnicas de la época. Y, de otra parte, se han comparado con los valores exigidos por el CTE en su DB-HE para la zona térmica correspondiente a Valencia. De esta forma se puede cuantificar la obsolescencia actual de la envolvente del caso de estudio (Tabla 01). Fig. 03. Sección constructiva de los elementos que componen el cerramiento en fachada de la vivienda caso de estudio (capas ordenadas de exterior a interior). ȢȤȝ 3.2. Cuantificación de la mejora potencial de confort. Simulación Para poder cuantificar la mejora potencial en el confort interior debido a la actualización según CTE de la transmitancia de la envolvente, se ha realizado un estudio comparativo en dos escenarios mediante una simulación termo-energéti- ca. Partiendo de la geometría de la vivienda caso de estudio, se comparan dos situaciones o escenarios: • Escenario del estado actual: con la envolvente y sus transmitancias existentes. • Escenario de cumplimiento de CTE: en el que los cerramientos cuentan con unos valores de transmitancia térmica que cumplan los requisitos actuales del DB-HE. De esta forma, la única variación existente en los modelos de cálculo será la composición y transmitancia resultante de los cerramientos, por lo que los resultados serán consecuencia exclusiva de este cambio. 3.2.1. Levantamiento y exportación de la geometría Para realizar las simulaciones termo-energéticas, ha sido empleado el software Design Builder, una interfaz que emplea EnergyPlus (US Departament of Energy, 2014) como motor de cálculo, herramienta que está ampliamente validada por la literatura científica, organismos gubernamentales y profesionales. De forma paralela, se ha empleado el software de programación gráfica Ladybug tools (Sadeghipour Roudsari & Mackey, 2013) para obtener los resultados del confort adaptativo, no proporcionados de forma directa por Design Builder. Tabla 01. Valores de Transmitancia U (W/m2K) de los elementos del cerramiento en el estado actual, considerando la U de referencias de la ordenanza vigente en la construcción, la U propia del elemento actual y la U de referencia del DB-HE actual. ȢȤȞAplicación En primer lugar, se ha hecho un levantamiento de la vivienda caso de estudio en el software Revit con tecnología BIM. Tras eso, se exportó la geometría del modelo BIM al software Design Builder, mediante el plugin de este último programa, que es capaz de leer la geometría desde Revit y exportarla. 3.2.2. Configuración del modelo común a ambos escenarios Una vez la geometría se introdujo en el software de cálculo, se fueron aplicando propiedades del modelo comunes a los dos escenarios. Primero las propias del lugar y situación geográfica, así como altitud y orientación. Fue asignado el archivo climático más reciente existente para la ciudad de Valencia, un archivo .epw común en los dos escenarios, pues ambos se analizan en condiciones climáticas actuales. Para conseguir simular la vivienda caso de estudio, interior salvo en sus dos fachadas, se asignaron propiedades adiabáticas a las superficies superiores e inferiores, así como a las laterales, que serían los tabiques divisorios con las otras viviendas colindantes y la caja de escaleras. Igualmente se configuraron todos los parámetros de funcionamiento, ocupación y actividad de la vivienda. Se adoptó un perfil de uso establecido por defecto por el software para una vivienda tipo con una cocina. Se aplicó una ocupación basada en el número de camas existentes, un horario de ocupación, actividad e iluminación adaptado a la latitud y costumbres laborales y escolares de la zona. Se desactivaron todas las opciones de funcionamiento de equipos y aparatos de climatización interiores, pues se pretende analizar el funcionamiento de la vivienda en modo de oscilación libre. Es esto por lo que la ventilación se convierte en un aspecto crucial, como ha quedado demostrado en la literatura (Bienvenido-Huertas et al., 2020). Por ello, se ha configurado la ventilación de forma que, en ambos escenarios, sea capaz de aclimatar lo máximo posible las temperaturas extremas, estando configurada según los horarios de uso de la vivienda y limitada según las temperaturas exteriores. Se evita así el aporte innecesario de frio o calor a la vivienda y se maximiza en ȢȤȟ lo posible el enfriamiento nocturno en verano (Bienvenido-Huertas et al., 2020). 3.2.3. Configuración de modelo en escenario actual Partiendo del modelo base según la configuración descrita, se han modelado las superficies que forman la envolvente aplicando propiedades según las capas que las componen. Para ello, se han asignado las características de los materiales del catálogo del CTE, que el software es capaz de leer. Mediante el modelado de las mismas capas y valores que los contemplados en la caracterización constructiva, se consigue una envolvente de similar comportamiento y transmitancia total. Las capas y propiedades asignadas se muestran en la Fig. 03 y la Tabla 01. 3.2.4. Configuración de modelo en escenario de cumplimiento del CTE Para actualizar la envolvente existente a las exigencias actuales de transmitancia térmica recogidas en el DB-HE, se ha partido de las capas actuales y se ha planteado una intervención hipotética, pero de fácil ejecución, que consiste en rellenar las cámaras de aire de los muros con espuma de poliuretano. Tras un primer cálculo, se comprueba que, con la sustitución de 4 cm de aire no ventilado, por los nuevos 4 cm de poliuretano con conductividad de 0.028 W/(m•K), se consiguen unas transmitancias totales que quedan dentro de los máximos exigidos actualmente en el CTE. En el caso de los huecos, se ha optado por sustituir las actuales carpinterías de acero y vidrio simple, por unas nuevas de PVC y una unidad de vidrio aislante (UVA 4/12/3+3). De esta forma Tabla 02. Valores de Transmitancia U (W/m2K) de los elementos del cerramiento en el escenario CTE, considerando la U del estado actual, la U hipotética en el escenario de cumplimiento del CTE y la U de referencia del DB-HE actual. ȢȤȠAplicación se consigue cumplir con las exigencias actuales en una hipotética intervención pasiva de fácil ejecución. Los nuevos valores de la envolvente simulada en este escenario se recogen en la Tabla 02. 3.2.5. Cálculo y obtención de porcentajes de horas de confort Una vez se han configurado por separado los modelos de sendos escenarios, se calculan con el motor EnergyPlus, configurando los valores de salida para obtener el análisis del confort térmico interior. Se ha obtenido mediante los dos modelos existentes, confort estático y el confort adaptativo. Para ello, se ha empleado el índice de la ASHRAE-55 basado en el PMV (Fanger, 1970) para el estático, y el índice de la norma europea (EN- 15251: Indoor Enviromental Input Parameters for Design and Assessment of Energy Performance of Buildings, 2008) para el adaptativo. El software Design Builder arroja el numero de horas en disconfort mensuales para el índice estático, sin embargo, no lo hace para el confort adaptativo. Para obtener el numero de horas en confort según este índice, se han obtenido los valores horarios interiores de temperatura del aire y temperatura media radiante durante todo un año. Esos resultados de temperaturas interiores han sido introducidos en la herramienta de cálculo y programación Ladybug tools (Sadeghipour Roudsari & Mackey, 2013), integrado en la interfaz de Grasshopper, dentro del programa Rhinoceros. Mediante un proceso, donde se introduce también la temperatura horaria exterior, se obtienen las horas de confort mensuales para todo un año. Estas dos extracciones de datos se han realizado con el cálculo de ambos escenarios, y son mostrados y analizados en el apartado de resultados. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. Análisis de la mejora del confort estático Si atendemos al confort térmico estático en el escenario actual (Tabla 03), obtenemos un porcentaje de horas de ȢȤȡ confort anuales del 45%, donde la mayoría se concentra en los meses de primavera y otoño, los más templados. En los meses más fríos de invierno, el porcentaje de horas baja de forma considerable, pero es en verano cuando menos horas en confort se producen. En los meses de julio y agosto tan solo un 9% y un 5% de las horas mensuales se está en confort, teniendo en cuenta siempre el índice estático, no adaptativo. Si observamos los resultados mostrados en la tabla 03, en el escenario 2, tras haber aislado los cerramientos, tenemos un porcentaje total de horas anuales en confort del 67% frente al 45% actual del escenario 1. Es decir, tras haber aplicado a la envolvente el cumplimiento del CTE, obtenemos que hay una mejora media de casi un 50% más de horas en confort anual con respecto al escenario actual. Las mayores mejoras se producen en los meses de noviembre a marzo, cuando la mayor transmitancia de los cerramientos conserva el calor interior aislando la vivienda del frio. Sin embargo, en los meses Tabla 03. Análisis del porcentaje de horas mensuales y anuales en situación de confort interior según el índice de confort estático (izquierda) y adaptativo (derecha). ȢȤȢAplicación de mayo a octubre, a pesar de la actualización, no hay mejoras significativas. El nuevo aislamiento puede llegar a producir un sobrecalentamiento interior, aunque es en cierta medida compensado por la ventilación nocturna. Como resultado, a pesar del cumplimiento del DB-HE, las condiciones de confort interior alcanzadas en los meses de julio y agosto apenas llegan al 14% y 7% de las horas totales mensuales. 4.2. Análisis de la mejora del confort adaptativo Atendiendo a los resultados del índice del confort adaptativo (Tabla 03), lo primero que destaca es el incremento de horas anuales en confort en el escenario del estado actual respecto al índice de confort estático en el mismo escenario. Contemplado las condiciones del escenario actual de la envolvente, se alcanzan un 68% de horas anuales en situación de confort adaptativo, un valor considerablemente elevado. Otro aspecto a destacar es que las peores situaciones se producen en los meses centrales del invierno, teniendo un 3% de las horas en diciembre y un 24% en enero. Sin embargo, los porcentajes de horas de confort del resto del año sí son bastante altos, destacando los resultados de los meses de verano con unos porcentajes muy elevados. Si pasamos al escenario de cumplimiento del CTE, se obtiene un porcentaje de mejora media del 38% de horas anuales, pasando del 68% del estado actual, al 94% de horas en confort en este escenario. Las mayores mejoras se producen los meses de desde noviembre a abril, obteniendo valores muy altos de mejora. En el mes de diciembre se alcanza un incremento exponencial que va del 3% en el escenario actual, al 92% en el escenario CTE, tan solo a causa de la nueva envolvente. De nuevo, el aislamiento proporcionado ayuda a mantener el calor del interior de la vivienda, mientras que, en los meses de verano, los valores de partida de este escenario son bastante buenos, al tratarse de un índice de confort adaptativo. ȢȤȣ 4.3. Discusión Como punto más destacable de los resultados, se destaca la capacidad que tienen una actuación pasiva, como es la mejora de la envolvente, para mejorar las condiciones interiores anuales de una vivienda en funcionamiento libre. Si bien existen diferencias, considerando ambos índices de confort, se producen mejoras anuales parecidas, del 22% y 26% con respecto al escenario actual, lo que constituye un resultado destacable. Por otra parte, llama la atención las grandes diferencias de resultados obtenidos según se evalúe mediante el índice de confort estático o adaptativo. Estas diferencias se producen tanto en el escenario actual de obsolescencia de la envolvente, como en el hipotético cumplimiento del CTE. A pesar de ellos, si bien el estático parte en el escenario actual de un 45% y el adaptativo de un 68%, ambos valores no se pueden considerar del todo negativos teniendo en cuenta la edad de la edificación. Las diferencias existentes entre ambos índices remarcan lo diferentes que son los algoritmos internos que se contemplan para obtener las condiciones de confort, siendo el estático mucho más rígido que el adaptativo, o vice- Fig. 04. Confrontación del % de horas en confort según el índice de confort adaptativo y estático, confrontando el escenario actual frente al de cumplimiento del CTE. ȢȤȤAplicación versa. El contraste más notable entre los dos índices es cómo el estático considera las condiciones de verano las más desfavorables para el confort, con porcentajes muy bajos de horas mensuales. Mientras que en el adaptativo es al contrario, siendo el invierno el momento más perjudicial; tal y como puede verse en la Fig. 04 que sintetiza los resultados. Por otra parte, si bien el índice de confort estático considera la humedad relativa en sus cálculos para confort, esta tiene poca relevancia, están principalmente condicionada la temperatura. Por lo contrario, el índice adaptativo no la tiene en cuenta, pudiendo ser esta una de las razones de por qué se consiguen valores tan altos. La humedad es un factor que, en una ciudad costera como Valencia, afecta en gran medida al confort de las personas, y que, de considerarlo en los índices, se podrían obtener valores diferentes. A pesar de las diferencias entre índices, los resultados son muy positivos, la adecuación de la envolvente según el DB-HE es capaz de producir considerables mejoras en el confort. No obstante, la adición de aislamiento apenas produce mejora en los meses de verano con respecto al escenario actual (Fig. 04). Esto se debe al efecto contraproducente que se produce, debido al sobrecalentamien- to de la vivienda en verano, y que el aislamiento empeora. Este calentamiento se mitiga con la ventilación nocturna, pero al aumentar las transmitancias de los cerramientos, se dificulta el intercambio de calor superficial a través de las fachadas. Cabe destacar la limitación que llegan a tener los índices de confort. En primer lugar, el índice estático, aunque considera en pequeña medida la humedad, el modelo en sí no está diseñado para estudiar espacios es oscilación libre, si no zonas cerradas y climatizadas de forma continua. De otra parte, el índice adaptativo, amplía su escala y lo adapta a las condiciones exteriores, pero no considera humedad en su modelo, algo que en ciudades especialmente húmedas como es el caso de Valencia, se puede convertir en una limitación.