Diseño edificio autosuficiente energéticamente - Palacio de Viana

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado Universitario en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Diseño edificio autosuficiente energéticamente - Palacio de Viana Autor: Carlos Cuerda del Valle Tutores: José Sánchez Ramos; Servando Álvarez Domínguez Dpto. de Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Diseño edificio autosuficiente energéticamente - Palacio de Viana Autor: Carlos Cuerda del Valle Tutores: José Sánchez Ramos Servando Álvarez Domínguez Dpto. de Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo Fin de Grado: Diseño edificio autosuficiente energéticamente - Palacio de Viana Autor: Carlos Cuerda del Valle Tutores: José Sánchez Ramos; Servando Álvarez Domínguez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal A mi padre y a mi madre A mis hermanos A mi familia A mis amigos A mis maestros Resumen Durante el desarrollo de este Trabajo de Fin de Grado se realizará el diseño y estudio energéticos de la ampliación de un edificio singular situado en la ciudad de Córdoba. Para ello se hará un estudio y recopilación previos de edificios parecidos analizando las tecnologías y estrategias energéticas utilizadas. Con la ayuda de un Software informático introduciremos la geometría del edificio, su localización, sus materiales…y se realizarán 4 simulaciones con diferentes propuestas de diseño e instalaciones de climatización. Los resultados obtenidos por el programa se analizarán y se irá mejorando el diseño para obtener así una gran calificación energética cumpliendo a la vez con el Código Técnico de la Edificación. Página 17 ¿Se puede combatir esta tendencia y los diversos problemas expuestos anteriormente? Existen diversas propuestas y medidas que llevan muchos años estudiándose, en este Trabajo de Fin de Grado me centraré en una de ellas; se trata de la eficiencia energética en edificios. 2.2. Contexto energético europeo. La descarbonización del sector de la edificación y la construcción es fundamental para lograr el compromiso del Acuerdo de París y los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas (ONU). Estos sectores son responsables de casi el 40% de las emisiones relacionadas con la energía y los procesos. Tomar acciones climáticas sobre ellos es de esencial importancia. Sin embargo, el informe de situación mundial publicado por la Alianza Global para los Edificios y la Construcción (Global ABC) en la COP25 en Madrid en diciembre de 2019 sobre edificios y la construcción nos dice que el sector no va por buen camino con el nivel de acción climática necesario, la inversión en eficiencia energética en el sector de la construcción se estabilizó en 2018 en lugar de mostrar el crecimiento necesario. La demanda final de energía en los edificios en 2018 aumentó un 1% desde 2017 y un 7% desde 2010. Este informe junto con el de la Agencia Internacional de Energía (AIE) subrayan la necesidad de una acción urgente por parte de los responsables políticos y los inversores. Necesitamos revertir la tendencia y hacer un esfuerzo concertado para descarbonizar y mejorar la eficiencia energética en los edificios. Esto significa cambiar a fuentes de energía renovables. Significa mejorar el diseño del edificio. Significa ser más eficiente en calefacción, refrigeración, ventilación, electrodomésticos y equipamiento. Significa utilizar soluciones y enfoques basados en la naturaleza que analicen los edificios dentro su ecosistema, la ciudad. Según este informe el parque de edificios se duplicará para 2050 debido al crecimiento demográfico, lo que presenta otra importante oportunidad que no debe perderse. Al cumplir con el ODS 11 “lograr que las ciudades y los asentamientos humanos sean inclusivos, seguros, resilientes y sostenibles” debemos asegurarnos de promover soluciones e innovaciones limpias para hacer edificios a prueba de futuro. En la Cumbre del Clima tanto los países como el sector privado se comprometieron a un sector de edificios sin emisiones de carbono, y el objetivo de movilizar 1 billón USD para el cumplimiento de París. Se estableció el aumento de inversiones en países en desarrollo para 2030. El cambio está en proceso. Este informe proporciona ejemplos de país, ciudad y acciones del sector privado, de cómo se está reformando el sector de la edificación y la construcción. A través de esta serie de informes de estado global, Europa está trabajando con expertos y formuladores de políticas en definir sus acciones para poner al sector en pista: urbanismo; nuevos edificios; modernizaciones para edificios existentes; operaciones de construcción; electrodomésticos, iluminación, cocina y sistemas; materiales; resiliencia de los edificios; y energía limpia. Estas hojas de ruta y acciones pueden luego adaptarse aún más a nivel nacional. Página 18 Según las estadísticas el 40% del consumo energético en Europa viene de los edificios. Esto ha llevado a la Comisión Europea a crear Directivas en Eficiencia Energética que obliguen a mejorar la eficiencia Energética de los edificios, introduciendo el concepto de NZEB o Edificio de Consumo Energético Casi Nulo. Los edificios de la UE son responsables de: • 40% de Demanda de Energía Primaria. • 60% de su Demanda de Electricidad. • 40% de Emisiones de CO2. • 50% de Materias Primas Consumidas. • 30% de Residuos • 20% del Consumo de Agua Potable. Figura 2. Demanda de energía primaria en la UE. Fuente: United States Green Building Council 2.3. Contexto energético español El cambio climático es un hecho, Europa lo sabe y España también, se trata de uno de los grandes retos de la actualidad, por ello el Congreso de los Diputados ha aprobado la Ley de Cambio Climático y Transición Energética (abril 2021). El objetivo de esta norma es ayudar a España a cumplir con sus compromisos internacionales en la lucha contra el cambio climático para alcanzar antes de 2050 la denominada “neutralidad climática” (que el país solo pueda emitir los gases de efecto invernadero que puedan ser absorbidos por los sumideros, por ejemplo, los bosques). Edificios 40% Industria 28% Trasportes 32% Demanda de energía primaria UE Edificios Industria Trasportes Página 19 La eficiencia energética en edificios es uno de los mayores puntos de interés a nivel nacional, esta ley pretende servir para canalizar los fondos europeos del plan de recuperación también en materia de edificación y eficiencia energética. Estas son algunas de las medidas contempladas: • Poner en marcha un plan de rehabilitación de viviendas y renovación urbana. • Las Administraciones tendrán que aprobar incentivos para la “introducción de las energías renovables” para impulsar así el autoconsumo y la calefacción y refrigeración de cero emisiones. También se apuesta por el uso de materiales con la menor huella de carbono posible y por las mejoras en la accesibilidad. Figura 3. Evolución del consumo de energía primaria en España por fuentes energéticas (2000-2018) Fuente: IDAE Figura 4. Consumo de energía final en España por sectores (2000-2018) Fuente: IDAE Página 20 Figura 5. Estructura sectorial del consumo de energía final en España en 2018 Fuente: IDAE Como se observa en el gráfico el consumo de energía final en España en el sector residencial es menor que en Europa, esto es debido a nuestro clima suave donde la demanda de calefacción es mucho menor que en el norte de Europa. Aun así, sigue siendo una parte muy importante y la tercera forma de consumo más importante en nuestro país por lo que debemos tenerla muy en cuenta. 2.4. ¿Qué es un NZEB según la literatura? Con el fin de estimular aún más los edificios sostenibles y contribuir en la independencia energética de la UE, la Directiva de rendimiento energético de los edificios (EPBD, 2010/31 / EC) introdujo la definición de NZEB que significa literalmente “Nearly Zero Energy Buildings” o “Edificios de Consumo de Energía casi Nulo”. Se trata de “edificios con un rendimiento energético muy alto donde la cantidad de energía requerida es nula o casi nula y debe cubrirse ampliamente con fuentes renovables producidas en el sitio o en las cercanías” (Art 2). La aplicación e implicación de esta Directiva tiene en el sector energético un enorme calado ya que transformará muchos de los procedimientos de diseño, construcción y gestión hacia una mayor eficiencia energética en los edificios y las ciudades. Estos cambios implicarán tanto a los ingenieros, arquitectos como al resto de agentes (promotoras, constructoras, fabricantes de materiales, sistemas y equipos) que tendrán que adaptarse para cumplir las exigencias normativas que se prevén según el calendario marcado por las Directivas Europeas que se muestra en la Figura 6. Página 21 Figura 6. Años clave para edificios de consumo casi nulo Fuente: BPIE • Como se observa en la imagen a partir de enero de 2019 todos los edificios públicos deberían ser NZEB y a partir de enero de 2021 el resto de los edificios, todas las construcciones deben alcanzar el objetivo NZEB definido a nivel nacional. • Actualmente todos los países están trabajando en las definiciones y en los documentos normativos nacionales. Para ello hay diferentes enfoques, en algunos países se está proponiendo un endurecimiento progresivo de los requerimientos energéticos normativos de todos los edificios para alcanzar unos requerimientos de consumo de energía casi nula en todos los edificios. En otros países, se ha decidido implementar inicialmente la definición de NZEB en algunas tipologías, para posteriormente adaptarla al resto. • El debate en torno a la definición de NZEB cruza las fronteras de la UE e involucra a la comunidad técnica y científica internacional. Se utiliza una gran variedad de términos, otros comúnmente utilizados en lugar de NZEB podrían ser: - Edificio de Energía Cero (ZEB) - Edificio de Energía Cero Neta (ZNEB) - Edificio de Carbono Cero (ZCB) La mayoría de ellos se utilizan más o menos de forma similar a los edificios de energía casi nula, sin embargo, algunos de ellos pueden ser ligeramente más difíciles de definir. 2.5. Edificio Passivhaus El término Passivhaus proviene del alemán y significa “casa pasiva”. Es un estándar de construcción nacido en Alemania en 1991 que se ha ido extendiendo por el resto del mundo. Combina un elevado confort interior con un consumo de energía muy bajo y un precio asequible, gracias al máximo cuidado de la envolvente del edificio y a un sistema de ventilación controlada. Se centra en conseguir la máxima eficiencia energética. Se trata de un tipo de vivienda creada para mantener las condiciones atmosféricas ideales en su interior logrando un ahorro energético que oscila entre el 70% y el 90% respecto a una vivienda convencional. Son construcciones que deben contar con un aislamiento térmico óptimo en sus paredes exteriores, rotura del puente térmico (que evita que la cara interior y exterior de una ventana tengan contacto entre Página 22 sí para eliminar la pérdida de calor), ventilación mecánica con recuperación de calor y ventanas y puertas de altas prestaciones. La certificación Passivhaus de un edificio exige cumplir determinados valores que están regulados y determinados mediante métodos para su comprobación, no exige soluciones o tipologías constructivas concretas, se trata de un diseño abierto. Para obtener el certificado Passivhaus, se debe cumplir: • Calefacción menor de 15kW/m2 año. • Refrigeración menor de 15kW/m2 año. • Energía primaria menor de 120kW/m2 año. Engloba todos los elementos calefacción, refrigeración, ACS, iluminación, electricidad auxiliar de equipos. Se refiere a la no renovable. • Hermeticidad menor de 0,6 ren/hora (con diferencia de presión de 50 Pa entre interior y exterior) 2.5.1. Principios esenciales 2.5.1.1. Los aislamientos Aumentar el espesor de los aislamientos reduce las pérdidas de calor en invierno, las ganancias de calor en verano y la demanda de energía para climatizar los edificios. 2.5.1.2. Las ventanas Las zonas más débiles de la envolvente son las ventanas. Por ello, es fundamental contar con carpinterías y vidrios de muy alta calidad con el fin de limitar al máximo la fuga de energía a través de ellas. Uso videos triples bajo emisivos con gases nobles. (U entre 0,6 y 1,2 W/m2K) 2.5.1.3. La hermeticidad En los edificios convencionales el aire que se requiere en las estancias proviene de las infiltraciones que se producen a través de los encuentros de los elementos constructivos, a través de las ventanas y puertas o a través del paso de las instalaciones. En las casas pasivas esta entrada de aire se produce de una forma controlada lo que permite acondicionarlo de tal forma que el aporte se realiza en perfectas condiciones higiénicas, de temperatura y humedad. 2.5.1.4. La ventilación La ventilación mecánica controlada con recuperación de calor es un sistema formado por dos circuitos: uno de entrada de aire fresco exterior y otro de salida de aire viciado interior. Ambos comparten un elemento común, el recuperador, en el que se aprovecha en más de un 80% el calor que transporta el aire viciado antes de ser expulsado y se transfiere al aire fresco exterior que, previamente filtrado, se atempera y se revierte a las estancias. 2.5.1.5. Los puentes térmicos Un puente térmico se comporta en un edificio como un agujero en un cubo de agua: aumenta el flujo de calor entre el interior y el exterior del mismo modo en que el agua se derrama a través del agujero del cubo. En los edificios pasivos se controla de forma rigurosa la eliminación de los puentes térmicos. Página 23 2.5.2. Edificio Passivhaus vs Edificio ZNEB Los edificios Passivhaus y los edificios de Energía Cero Neta tienen mucho en común. Si bien los diseñadores de Passivhaus se contentan con lograr un presupuesto de energía muy bajo, los diseñadores de viviendas con Energía Cero Neta incluyen una matriz fotovoltaica para producir suficiente electricidad que equilibre el uso anual de energía de la casa. 2.5.2.1. Enfoque de Energía Cero Neta El mejor aspecto del enfoque de Energía Cero Neta es el hecho de que, para equilibrar las cargas de energía con la producción de energía, los diseñadores se ven obligados a evaluar la rentabilidad de cada medida de eficiencia energética y compararla con el costo de una energía fotovoltaica. Una vez que se haya diseñado un buen armazón, cada mejora incremental aumenta el costo de construcción, pero ahorra cada vez menos energía. A medida que el aislamiento es más grueso o las capas adicionales de acristalamiento comienzan a costar más que la fotovoltaica, es hora de cuestionar la lógica de la inversión, es decir, si disponemos de una matriz fotovoltaica en el techo, no tiene mucho sentido invertir en mejoras de aislamiento a menos que la inversión produzca más ahorros de kWh que una matriz fotovoltaica. Se trata de un problema de optimización. 2.5.2.2. Enfoque Passivhaus El enfoque Passivhaus destaca en no asumir que la producción de electricidad se realiza mejor en un techo residencial. De hecho, generar electricidad en techos residenciales tiene a veces inconvenientes como: - Los techos residenciales suelen estar sombreados por árboles o edificios vecinos. - Muchos techos residenciales no tienen la inclinación u orientación óptimas para una matriz fotovoltaica. - Una matriz fotovoltaica en la azotea complica enormemente la renovación del techo. - La mayoría de los propietarios no quieren ser responsables del mantenimiento y reparación de los equipos de generación de energía. - El costo de los créditos fiscales y los subsidios que se distribuyen a los propietarios de viviendas que instalan paneles fotovoltaicos aumenta la carga fiscal. - Se plantean inversiones en mejoras de envolvente que cuestan considerablemente más que la fotovoltaica. Su principal argumento: si bien los módulos fotovoltaicos pueden desgastarse en 30 o 40 años, y pueden requerir mantenimiento o reparaciones en el camino, es probable que el aislamiento dure mucho más y prácticamente no requiera mantenimiento. Ambos enfoques resultan muy interesantes y pueden llegar a ser complementarios dependiendo del edificio de estudio en cuestión, sus dimensiones, su uso privado o público, según la legislación del país pertinente, etc. 2.6. Casos de éxito Los casos de éxito se tratan de edificios con una alta eficiencia energética, donde se consigue reducir la demanda y producir energía de forma renovable. Para conseguirlo es necesario realizar un estudio del Página 24 reparto energético de nuestro edificio e identificar los diferentes puntos de consumo. En la Figura 7 se puede observar el reparto energético promedio de un edificio en operación diferenciando edificio de oficinas y edificio unifamiliar o multifamiliar. Figura 7. Reparto energético promedio de un edificio en operación diferenciando edificio de oficinas y edificio unifamiliar o multifamiliar Fuente: DENA (Agencia de Energía de Alemania) Vemos que gran parte del consumo energético proviene de la climatización, tanto refrigeración como calefacción. Este reparto tendrá que estudiarse de forma minuciosa en cada proyecto. 2.6.1. Edificio “Milla Digital”, Zaragoza-Empresa Acciona (año 2010). 2.6.1.1. Reducción de la demanda Arquitectura pasiva • Orientación. • Factor de Forma: edificio compacto. • Doble piel. • Huecos y aberturas. • Atrio. • Luz natural en todos los espacios. • Muros y losas de hormigón. • Aislamiento térmico en cara exterior: inercia térmica al interior de edificio • Termoarcilla: amortiguación de la onda térmica • Optimización espesor aislamiento. • Elección óptima del vidrio según orientaciones (U=2,8; g=0,35) Iluminación • Iluminación natural (sistema tipo DALI). • LEDs. Menos ganancias internas. • Sistema domótico programado. Página 25 Aplicando estas estrategias han conseguido reducir significativamente la demanda del edificio situado en Zaragoza, pasando de tener una demanda de 131 kWh/m2 a 81 kWh/m2 como se ve en la Figura 8. Figura 8. Reducción de la demanda edificio “Milla Digital” Fuente: Acciona Energía. 2.6.1.2. Reducción del consumo Climatización • Suelo radiante y difusores de desplazamiento. • Sistema de baja velocidad y caudal variable. • Evitar el diseño sobredimensionado en las instalaciones. Validación del diseño mediante simulación dinámica. Variadores de velocidad. • Máxima sectorización de equipos a climatizar. • Regulación en función de condiciones climatológicas. Iluminación • Detectores de presencia y reguladores de iluminación. • Tecnología LED. Control • Regulación y control de todos los sistemas activos del edificio. • Monitorización y control remoto. Página 26 2.6.1.3. Climatización Invierno Verano • Se utiliza un sistema de precalentamiento del aire mediante geotermia y radiación solar. • Se utiliza un sistema de preenfriamiento del aire de entrada mediante geotermia. • Existen diferentes tipos de climatización del aire: mediante un sistema convencional de aire, por suelo radiante (biodiesel) y por aire expulsado. • Dos mecanismos de climatización de aire: sistema todo aire y suelo refrescante (agua de pozo bomba de calor). • El aire de expulsión se utiliza para calentar el aire en el intercambiador y la cara norte evita condensaciones y sirve de barrera térmica • Enfriamiento adiabático. • Nebulización agua retorno • Enfriamiento de fachada por calor latente del aire. • Gradiente aire exterior que favorece la ventilación Figura 9. Climatización invierno y verano Fuente: Acciona Energía 2.6.1.4. Fuentes renovables y estrategias utilizadas • Geotermia tierra-aire. • Geotermia tierra-agua. • Caldera de biodiésel auxiliar para garantizar la demanda de energía térmica. • Energía solar fotovoltaica en cubierta y fachada. • Energía minieólica para generación de electricidad. Página 33 • Zona de restauración (Casa Morales nº2) • Zona de administración (Antigua casa del guarda). 4.2. Emplazamiento La ampliación se ubica junto al Palacio de los Marqueses de Viana, situado en el barrio de Santa Marina, Córdoba (Zona climática B4 según CTE HE), que pertenece a la parte oriental del conjunto histórico desarrollado durante la etapa musulmana, que es la Axerquía. Se levanta en un solar adyacente que no solo es colindante con el propio Palacio del Marqués de Viana, sino que da a dos calles: Morales y Zarco, que tiene una importante capacidad de activación de una zona deprimida dentro de la ciudad histórica. En este ámbito se restaura una casa patio, en la calle Morales nº 2. También se incorpora a la propuesta la superficie de la antigua casa del guarda con nuevas funciones ya que actualmente nadie la habita. La superficie del solar actual es de 1.220,71 m2, mientras que la superficie en planta de la casa de calle Morales nº 2 es de 366,28 m2 y la antigua casa del guarda es de 209,22 m2, lo que arroja un total de 1.796,21 m2. Imagen 2. Emplazamiento Palacio de Viana Fuente: propia Página 34 4.3. Flujo de trabajo Para el análisis, simulación y certificación energética se seguirá la siguiente metodología en el Software Open Studio. 4.3.1. Definimos el tipo de edificio a simular. En este primer apartado se introducirán datos básicos que no volverán a modificarse a lo largo de los diferentes estudios y simulaciones. Ejecutamos la opción: Extensiones ˃ SG Save ˃ Definición del caso y tipo de edificio • Edificio nuevo/existente. • Tipo de edificio: (Vivienda, pequeño terciario, gran terciario). • Zona climática: zona climática según el CTE-HE (se adjunta tabla en anexo). • Tasa de ventilación: en edificios terciarios se empleará la tasa de 0.8 renovaciones/hora según el CTE HE. • Permeabilidad de los huecos. Imagen 3. Definición del caso y tipo de edificio Fuente: propia 4.3.2. Creación de espacios e introducción de la geometría del edificio El edificio contempla diferentes espacios que se han introducido uno por uno a través de Sketchup. A la hora de introducirlos cabe destacar que, como todo software de simulación, debemos hacerlo de la manera más sencilla posible reflejando la realidad. Es decir, con el menor número de superficies aunque esto conlleve a una pequeña desviación del modelo arquitectónico real (en el motor de cálculo EnergyPlus una fachada dibujada con dos superficies tardaría el doble de tiempo en calcularse que la misma fachada con una única superficie). Página 35 Imagen 4. 3D del edificio en Sketchup. Fuente: propia En la Tabla 3 se pueden observar los distintos espacios que componen el nuevo edificio con su superficie correspondiente. Tabla 3. Superficies reales del edificio en m2 SUPERFICIES PLANTA BAJA (m2) SUPERFICIES PLANTA PRIMERA (m2) Hall 1 178,5 Hall 2 104 Cafetería 75 Biblioteca 145 Sala Convenciones 334 Sala de Exposiciones 136 Talleres 70 Zona Restauración 2 168,5 Zona Restauración 1 186,5 Zona Administrativa 2 148 Zona Administrativa 1 134 Fuente: propia Una vez creados los espacios con sus respectivos huecos pasaremos a introducir las propiedades de las carpinterías. Para ello usaremos el siguiente comando y tendremos las siguientes opciones: Extensiones ˃ SG Save ˃ Utilidades ˃ Huecos ˃ Introduce carpinterías y retranqueos • PVC 2 cámaras. • PVC 3 cámaras. Página 36 • Madera. • Aluminio. • Aluminio con ruptura del puente térmico > 12 mm. • Aluminio con ruptura del puente térmico < 12 mm. Al introducir estas carpinterías, se introduce también un retranqueo de 20 cm. Si se desea introducir otras carpinterías, será necesario abrir el inspector de Open Studio y modificar las propiedades de las carpinterías. A continuación, hemos de introducir los puentes térmicos, uno de los parámetros más importantes. Un puente térmico es una zona puntual o lineal de la envolvente de un edificio en la cual se transmite más fácilmente el calor que en el resto de las zonas debido a una variación de la resistencia térmica. Se trata de un lugar en el que se rompe la superficie aislante. Así pues, un puente térmico aparece debido a: • Un cambio en la geometría de la envolvente. • Un cambio de materiales o de resistencia térmica. Antes de que se generalizase el aislamiento térmico de los edificios, los puentes representaban entre el 10 y el 20% de las pérdidas totales de calor por lo que debemos tenerlos muy en cuenta. Los puentes térmicos en SG Save se tratan introduciendo en el modelo superficies auxiliares cuyos balances energéticos son equivalentes a los representados por el puente térmico. Para introducirlos primero se seleccionarán los espacios para los que se van a generar los puentes térmicos, una vez seleccionados se escogerán las opciones para introducir los puentes térmicos según proceda. Estas superficies auxiliares creadas podemos ocultarlas en el modelo. Los valores límite de los puentes términos vienen definidos en el CTE HE, en SG Save se proponen valores por defecto, pero también podemos introducir otros valores después de realizar una medición real. El valor del puente térmico se introduce mediante la transmitancia térmica lineal (W/mK) del mismo. Extensiones ˃ SG Save ˃ Puentes térmicos Página 37 Imagen 5. Puentes térmicos para introducir en SG Save Fuente: propia 4.3.3. Emparejamiento de particiones interiores Las particiones interiores que limitan distintos espacios, tanto las horizontales como las verticales, hay que dibujarlas por duplicado en los distintos espacios. Por defecto, al dibujar las superficies, el programa OpenStudio considerará lo siguiente: • Superficies verticales: son todas exteriores. • Cubiertas: son todas exteriores. • Suelos: están todos en contacto con el terreno. Mientras se está dibujando la geometría, el programa no puede saber si finalmente una superficie acabará siendo exterior o una partición interior. Por ello, una vez que se ha terminado de dibujar la geometría hay que ejecutar la orden: Extensiones ˃ SG Save ˃ Utilidades ˃ Opacos ˃ Emperejamiento de superficies Esta orden buscará en todo el modelo, las superficies que se superponen y las convertirá en interiores. Para poder hacer el emparejamiento de superficies interiores, las superficies tienen que ser exactamente iguales. Es conveniente utilizar el modo de visualización por condiciones de contorno, en este modelo de visualización los colores representan: • Azul intenso: Condiciones de contorno exteriores. • Azul menos intenso: Condiciones de contorno exteriores, pero sin estar afectadas por el sol y el viento. Página 38 • Verde: Condiciones de contorno interiores. • Marrón: En contacto con el terreno. • Rosa: Condiciones adiabáticas. 4.3.4. Definición de las características de espacios habitables Una vez que se han dibujado los espacios, hay que indicar de qué tipo son. Para ello, se seleccionarán los espacios habitables del mismo tipo y se ejecutará la orden: Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con el HE1 ˃ Define espacio habitable • Tipo de espacio: Tipos de espacio definidos en el CTE-HE 2013 en función del calendario de horas la intensidad de uso (intensidad de ocupación alta, media o baja). No variarán en las diferentes simulaciones. • Familia de construcciones: Familia de sistemas que contiene la definición del sistema constructivo para paredes, suelos, techos y huecos. Iremos modificando la familia de construcciones en las diferentes simulaciones para ver cómo afectan al diseño. • Altura espacios (m): Altura libre de los espacios. La tasa de ventilación se aplicará al volumen definido por la superficie del espacio, multiplicado por esta altura. • Potencia iluminación (W/m2): Potencia de la instalación de iluminación dividida por la superficie del espacio. • VEEI objeto (W/m2-100 Lux): Valor de eficiencia energética de la instalación de iluminación. • VEEI máximo normativo (W/m2-100 Lux): Valor límite normativo de la instalación de iluminación según el CTE HE (en certificación energética, en lo referente a iluminación, el edificio de referencia sigue siendo el del CTE HE). Ver anexo. De la misma forma deben definirse las características de los espacios no habitables, en nuestro caso de estudio esta parte no procede ya que todos los espacios definidos son habitables. 4.3.5. Creación y simulación edificio de referencia, HE0 y HE1 Determinadas opciones de verificación del CTE-HE y de certificación energética requieren la generación y simulación del edificio de referencia, en nuestro caso al tratarse de un edificio terciario es necesario. Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con el HE1 ˃ Crea y simula edificio de referencia Al ejecutar el comando, se creará el modelo del edificio de referencia y se abrirá la aplicación del OpenStudio, con el modelo listo para ser simulado. Una vez simulado el edificio de referencia, no es necesario volver a simularlo mientras no se produzca cambios en el modelo del tipo: Página 39 • Geométricos. • Características de los espacios habitables. • Del tipo del edificio y su zona climática. A continuación, se realizará la simulación del HE1 donde no intervienen los sistemas. Con esta opción se eliminan los posibles sistemas que pudiera haber el edificio y los sustituye por unos “perfectos” con los que se estima la demanda de calefacción y refrigeración del edificio. Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con el HE1 ˃ Calcula la demanda del edificio Finalmente introduciremos los sistemas del edificio: ACS, fotovoltaica y sistemas de climatización. SG Save permite introducir de manera rápida los sistemas más habitualmente utilizados, para instalaciones más complejas tendremos que introducirlas desde OpenStudio. Estos sistemas se irán modificando en las diferentes simulaciones. Una vez introducidos se realizará la verificación del HE0 y la certificación energética. Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con HE0 ˃ Verificación HE0 y certificación energética 4.4. Simulación 1 4.4.1. Introducción de variables Para la simulación 1 siguiendo la metodología explicada en el apartado anterior se ha utilizado: • Carpinterías: Aluminio con ruptura del puente térmico < 12 mm. • Carpinterías: Permeabilidad de 27 (m3/h*m2). Se han introducido los siguientes puentes térmicos: • Contorno de huecos: 0,45 (W/m*K) • Cubierta plana: U muro de 0,5 W/m2*K y U cubierta de 0,3 W/m2*K. • Pilar integrado en fachada: 0,6 (W/m2*K) • Esquina: 0,6 (W/m2*K) • Suelo terreno: U muro de 0,5 W/m2*K y U solera de 0,45 W/m2*K Para todos los espacios se ha seleccionado la familia constructiva “Sate con Vidrio Aislante”, una de las más exigentes y con mejores propiedades. • Paredes exteriores: sate con lana mineral y trasdosado. • Suelos exteriores: solera seca flotante con lana mineral. • Techos: cubierta cerámica. • Paredes interiores: tabique interior con placa de yeso laminado y lana mineral. • Cerramientos con el terreno: solera seca flotante con lana mineral. Página 40 En la Tabla 4 se muestran las características de los espacios habitables para la simulación 1. Tabla 4. Características de los espacios habitables Espacio Ocupación Altura (m) Iluminación (W/m2) VEEI máximo VEEI objeto ACS (l/día) Biblioteca Alta 12h 6 8 5 5 45 Cafetería Media 12h 4,25 8 6 6 65 Hall 1 Alta 12h 4,25 8 6 6 15 Hall 2 Alta 12h 5 8 6 6 15 Pasillos 1 Media 12h 4,25 8 6 6 35 Pasillos 2 Media 12h 5 8 6 6 35 Restauración 1 Media 8h 4,25 8 8 8 110 Restauración 2 Media 8h 5 8 8 8 110 Sala convenciones Alta 8h 12 6 4 4 25 Talleres Media 12h 4,25 6 6 6 20 Zona administrativa 1 Media 12h 4,25 8 6 6 85 Zona administrativa 2 Media 12h 5 8 6 6 85 Sala exposiciones Media 12 5 8 5 5 20 Fuente: propia Para el cálculo de la demanda de ACS recurrimos al documento oficial HE4 “Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria” aquí aparece una tabla que podemos ver en el anexo con la demanda de ACS para distintos tipos de edificios. Sumando las demandas por espacios de la Tabla 4 obtenemos una demanda total de 665 l/día. Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con HE0 ˃ Introduce demanda de ACS Página 41 Tabla 5. Definición de la demanda de ACS Demanda diaria de ACS (l/día) 665 Porcentaje de ACS cubierto por solar (%) 60 Porcentaje de ACS mínimo requerido por HE 4 (%) 30 Combustible Gas natural Rendimiento nominal (%) 85 Volumen del depósito (l) 400 Coeficiente global de pérdidas del depósito 6 Fuente: propia En cuento a los sistemas para esta simulación 1 se colocarán bombas de calor individuales en todos los espacios. • COP de 2,5 • EER de 2,5 Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con HE0 ˃ Bombas de calor individuales 4.5. Simulación 2 Para la simulación 2 trataremos de mejorar la simulación 1, para ello empezaremos con las carpinterías, ahora se colocarán: • Carpinterías PVC de 2 cámaras. • Permeabilidad de 20 (m3/h*m2). Los puentes térmicos y familia constructiva siguen siendo los mismos que en la simulación 1. Para disminuir la demanda eléctrica de iluminación se utilizarán luminarias con una mayor eficiencia energética y se colocarán 3 nuevas ventanas en lugares estratégicos en las zonas de cafetería, sala de exposiciones y sala de convenciones. En la Tabla 6 se muestran las características de los espacios habitables para la simulación 2 donde se modificarán los parámetros de iluminación y VEEI objeto, el resto no varían respecto la tabla anterior. Página 42 Tabla 6. Características de los espacios habitables Espacio Ocupación Altura (m) Iluminación (W/m2) VEEI máximo VEEI objeto ACS (l/día) Biblioteca Alta 12h 6 6 5 3,75 45 Cafetería Media 12h 4,25 6 6 4,5 65 Hall 1 Alta 12h 4,25 6 6 4,5 15 Hall 2 Alta 12h 5 6 6 4,5 15 Pasillos 1 Media 12h 4,25 6 6 4,5 35 Pasillos 2 Media 12h 5 6 6 4,5 35 Restauración 1 Media 8h 4,25 6 8 6 110 Restauración 2 Media 8h 5 6 8 6 110 Sala convenciones Alta 8h 12 6 8 6 25 Talleres Media 12h 4,25 6 6 4,5 20 Zona administativa 1 Media 12h 4,25 6 6 4,5 85 Zona administrativa 2 Media 12h 5 6 6 4,5 85 Sala exposiciones Media 12h 5 6 5 3,75 20 Fuente: propia La instalación y demanda calculada en el caso anterior para el ACS sigue siendo la misma. En la simulación 2 introduciremos una matriz fotovoltaica en el edificio, concretamente en la cubierta de la sala de convenciones (para evitar sombreamientos). Extensiones ˃ SG Save ˃ Operaciones relacionadas con HE0 ˃ Fotovoltaica Para ello definiremos los siguientes parámetros: • Superficie de células FT: 119,84 m2 • Fracción de superficie cubierta por células FT activas: 0,9 • Eficiencia de la célula (constante): 15% Página 49 5.1.3 Cumplimiento HE4. Tabla 11. Cumplimiento HE4 (Simulación 1) Demanda diaria de ACS (l/día) Demanda neta ACS anual (Kwh/año) % Cubierto % Requerido Cumple 665 5060,9 60,0 60,0 SÍ Fuente: propia 5.1.4 Consumo de electricidad (Kwh/m2). Tabla 12. Consumo electricidad (Simulación 1) Calefación Refrigeración Iluminación Equipamiento Total Enero 0,2 0,02 2,17 1,42 3,81 Febrero 0,13 0,04 1,92 1,26 3,35 Marzo 0,07 0,2 2,15 1,41 3,83 Abril 0,01 0,54 2 1,31 3,86 Mayo - 1,36 2,17 1,42 4,95 Junio - 2,56 2,07 1,36 5,99 Julio - 3,8 2,09 1,37 7,26 Agosto - 3,9 2,17 1,42 7,49 Septiembre - 2,7 1,98 1,3 5,98 Octubre - 1,37 2,17 1,42 4,96 Noviembre 0,02 0,25 2,09 1,37 3,73 Diciembre 0,16 0,01 2,07 1,36 3,60 Total 0,59 16,75 25,05 16,42 58,81 Fuente: propia. Página 50 5.1.5 Consumo de gas natural (Kwh/m2). Tabla 13. Consumo gas natural (Simulación 1) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 Total ACS 0,22 0,2 0,21 0,2 0,2 0,18 0,18 0,18 0,18 0,2 0,21 0,22 2,38 Fuente: propia 5.1.6 Calificaciones energéticas Tabla 14. Calificaciones energéticas (Simulación 1) Indicador Valor Nota Calificación emisiones TOTALES 14,6 Kg CO2/m2 año B (0,5) Calificación energía primaria TOTAL 85,6 kWh/m2 año B (0,6) Demanda calefación 1,3 kWh/m2 año A Demanda refrigeración 40,3 kWh/m2 año C Fuente: propia Figura 11. Gráfica consumos (Simulación 1). Fuente: propia Página 51 5.2. Simulación 2 5.2.1. Cumplimiento HE0. Tabla 15. Cumplimiento HE0 (Simulación 2) Edificio objeto Valor límite Cumple Horas fuera de consigna- Con ocupación 0 141,8 SÍ Energía primaria no removable (Kwh/m2-año) 174,4 103,5 NO Energía primaria total (Kwh/m2-año) 213,6 210,2 NO Fuente: propia. 5.2.2. Cumplimiento HE1 y HE4. Tabla 16. Cumplimiento HE1 y HE4 (Simulación 2) Cumplimiento HE1 SÍ Cumplimiento HE4 SÍ Fuente: propia 5.2.3. Consumo de electricidad (Kwh/m2). Se añaden dos nuevas columnas de resultados correspondientes al consumo de los ventiladores y a la producción fotovoltaica. Tabla 17. Consumo electricidad (Simulación 2) Calefación Refrigeración Iluminación Equipos Ventiladores Producción FV Total Enero 0,04 0,22 1,76 1,42 3,18 -0,07 3,81 Febrero 0,01 0,39 1,56 1,26 2,87 -0,09 3,35 Marzo - 0,86 1,74 1,41 3,18 -0,13 3,83 Abril - 1,53 1,62 1,31 3,07 -0,16 3,86 Mayo - 2,89 1,76 1,42 3,18 - 0,2 4,95 Página 52 Calefación Refrigeración Iluminación Equipos Ventiladores Producción FV Total Junio - 4,68 1,67 1,36 3,07 -0,22 5,99 Julio - 6,33 1,69 1,37 3,18 -0,24 7,26 Agosto - 6,46 1,76 1,42 3,18 -0,22 7,49 Septiembre - 4,58 1,61 1,3 3,07 -0,16 5,98 Octubre - 2,69 1,76 1,42 3,18 -0,12 4,96 Noviembre - 0,92 1,69 1,37 3,07 -0,08 3,73 Diciembre 0,02 0,26 1,67 1,36 3,18 -0,07 3,60 Total 0,07 31,81 20,29 16,42 37,41 -1,76 58,81 Fuente: propia. Como se observa el consumo de ventiladores no es nada desprediable disparando el consumo de energía primaria no renovable y la energía primaria total, y haciendo que no se cumpla el HE0. 5.3. Simulación 2 mejorada 5.3.1. Cumplimiento HE0. Tabla 18. Cumplimiento HE0 (Simulación 2 mejorada) Edificio objeto Valor límite Cumple Horas fuera de consigna- Con ocupación 0 141,8 SÍ Energía primaria no removable (Kwh/m2-año) 88,1 97,4 SÍ Energía primaria total (Kwh/m2-año) 111,2 203,3 SÍ Fuente: propia. Página 53 5.3.2. Cumplimiento HE1. Tabla 19. Cumplimiento HE1 (Simulación 2 mejorada) Transmitancia térmica (W/m2-K) Transmitancia térmica límite (W/m2-K) Cumple Elementos opacos 0,2 0,6 SÍ Cubiertas en contacto con el exterior 0,2 0,4 SÍ Suelos terreno 0,2/0,3/0,4 0,8 SÍ Huecos 0,6/0,7 2,3 SÍ Coeficiente global envolvente 0,31 0,81 SÍ Ganancia solar 3,8 4 SÍ Permeabilidad huecos 20 27 SÍ Fuente: propia 5.3.3. Cumplimiento HE4. Tabla 20. Cumplimiento HE4 (Simulación 2 mejorada) Demanda diaria de ACS (l/día) Demanda neta ACS anual (Kwh/año) % Cubierto % Requerido Cumple 665 2530,4 80,0 60,0 SÍ Fuente: propia 5.3.4. Consumo de electricidad (Kwh/m2). Tabla 21. Consumo electricidad (Simulación 2 mejorada) Calefación Refrigeración Iluminación Equipos Ventiladores Producción FV Total Enero 0,38 0,02 1,18 1,42 1,08 -0,17 3,91 Febrero 0,21 0,05 1,04 1,26 0,98 -0,21 3,33 Página 54 Calefación Refrigeración Iluminación Equipos Ventiladores Producción FV Total Marzo 0,07 0,22 1,17 1,41 1,08 -0,31 3,64 Abril - 0,58 1,09 1,31 1,05 -0,37 3,66 Mayo - 1,63 1,18 1,42 1,08 -0,46 4,85 Junio - 3,34 1,12 1,36 1,05 -0,51 6,36 Julio - 5,07 1,13 1,37 1,08 -0,56 8,09 Agosto - 5,11 1,18 1,42 1,08 -0,5 8,29 Septiembre - 3,33 1,08 1,3 1,05 -0,37 6,39 Octubre - 1,47 1,18 1,42 1,08 -0,27 4,88 Noviembre 0,02 0,24 1,13 1,37 1,05 -0,19 3,62 Diciembre 0,29 0,02 1,12 1,36 1,08 -0,15 3,72 Total 0,97 21,08 13,60 16,42 12,74 -4,07 60,74 Fuente: propia. 5.3.5. Consumo de gas natural (Kwh/m2). Tabla 22. Consumo gas natural (Simulación 2 mejorada) M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12 Total ACS 0,11 0,1 0,11 0,1 0,1 0,09 0,09 0,09 0,09 0,1 0,1 0,11 1,19 Fuente: propia 5.3.6. Calificaciones energéticas Tabla 23. Calificaciones energéticas (Simulación 2 mejorada) Indicador Valor Nota Calificación emisiones TOTALES 15,0 Kg CO2/m2 año B (0,5) Calificación energía primaria TOTAL 88,1 kWh/m2 año B (0,6) Demanda calefación 2,6 kWh/m2 año A Página 55 Indicador Valor Nota Demanda refrigeración 33,5 kWh/m2 año B Fuente: propia Figura 12. Gráfica consumos (Simulación 2 mejorada) Fuente: propia 5.4. Simulación 3 5.4.1. Cumplimiento HE0. Tabla 24. Cumplimiento HE0 (Simulación 3) Edificio objeto Valor límite Cumple Horas fuera de consigna- Con ocupación 1967 141,8 NO Energía primaria no removable (Kwh/m2-año) 88,6 103,5 SÍ Energía primaria total (Kwh/m2-año) 111,8 210,2 SÍ Fuente: propia. Página 56 5.4.2. Cumplimiento HE1 y HE4. Tabla 25. Cumplimiento HE1 y HE4 (Simulación 3) Cumplimiento HE1 SÍ Cumplimiento HE4 SÍ Fuente: propia 5.4.3. Calificaciones energéticas Tabla 26. Calificaciones energéticas (Simulación 3) Indicador Valor Nota Calificación emisiones TOTALES 15,1 Kg CO2/m2 año B (0,5) Calificación energía primaria TOTAL 88,6 kWh/m2 año B (0,6) Demanda calefación 1,6 kWh/m2 año A Demanda refrigeración 38,0 kWh/m2 año B Fuente: propia Figura 13. Gráfica consumos (Simulación 3). Fuente: propia Página 57 6 CONCLUSIONES En este Trabajo de Fin de Grado se ha analizado la demanda energética, las distintas instalaciones de climatización y la correspondiente certificación energética del Palacio de Viana en base a ellas. Para ello se han realizado 4 simulaciones donde se han ido variando diferentes parámetros como las carpinterías, los puentes térmicos, la ocupación, la eficiencia energética de las luminarias o los propios sistemas de climatización de frío y calor. Todo ello gracias a la herramienta reconocida SG SAVE que nos indica el cumplimiento del Código Técnico. Empezaremos las conclusiones analizando el cumplimiento del HE1. Para todas las simulaciones se observa el cumplimiento del HE1 ya que en todas se han utilizado materiales y familias constructivas de altas prestaciones, en concreto la familia constructiva “Sate Vidrio Aislante”. En la simulación 1 se utilizó una peor carpintería lo que provoca que la demanda de refrigeración ascendiera hasta 40,3 kWh/m2 año obteniendo una calificación C, para el resto de simulaciones se obtiene una calificación B mejorando este parámetro. Cabe también destacar la diferencia entre las demandas de calefacción y refrigeración en todas las simulaciones; por ejemplo, para la simulación 2 mejorada la demanda de calefacción es de 2,6 kWh/m2 año mientras que la de refrigeración es de 33,5 kWh/m2 año, esto cuadra con la zona climática B4 donde se encuentra nuestro edificio y es ajeno a la instalación elegida, es por ello que se repite en todas las simulaciones. Analizando el cumplimiento del HE4, al igual que el HE1, se cumple para todas las simulaciones ya que nosotros mismos hemos definido el sistema de ACS. Para no cumplirse el portentaje cubierto por solar tendría que ser menor del 60%. En las simulaciones hemos elegido porcentajes del 60% y 80%. Pasando al último parámetro HE0 podemos encontrar las mayores diferencias entre las simulaciones, estas se muestran en la siguiente tabla resumen: Tabla 27. Resumen cumplimiento del HE0 Simulación 1 Simulación 2 Simulación 2 mejorada Simulación 3 Horas fuera de consigna- Con ocupación CUMPLE CUMPLE CUMPLE NO CUMPLE Energía primaria no renovable (Kwh/m2-año) CUMPLE NO CUMPLE CUMPLE CUMPLE Energía primaria total (Kwh/m2-año) CUMPLE NO CUMPLE CUMPLE CUMPLE Fuente: propia Página 58 Como se observa en la tabla sólo las simulaciones 1 y 2 mejorada cumplen los tres requisitos para el cumplimiento del HE0. La simulación 2 se excede del límite marcado por el Código Técnico en la energía primaria no renovable y energía primaria total debido al gran consumo de los ventiladores utilizados en el sistema VRV. Por el contrario, la simulación 3 sí cumple estos parámetros ya que se propone un sistema de ventilación natural con una bomba de calor y una resistencia eléctrica que consumen poca energía. El problema viene en que este sistema no es capaz de mantener la temperatura de confort las horas de consigna mínimas marcadas por el Código Técnico; concretamente son 1967 horas fuera de consigna, lo que equivaldría aproximadamente a 82 días al año o casi tres meses. Parece evidente que debemos elegir entre la simulación 1 o la 2 mejorada para nuestro diseño energético; la primera simulación consiste en colocar bombas de calor individuales, este tipo de sistemas son eficientes y por ello son el más utilizado en la mayoría de las viviendas, sin embargo, su funcionamiento requiere de una unidad interior y otra exterior, lo que a nivel funcional y económico parece muy poco viable en un edificio de las características del planteado en el caso de estudio. La otra opción consiste en el sistema VRV con una unidad exterior y 13 unidades interiores. Claramente este sería el sistema elegido para nuestro edificio, un sistema mucho más centralizado, con una única unidad exterior y que además cumple con todos los requisitos marcados por el Código Técnico. Imagen 10. Etiqueta energética 1 para el sistema VRV elegido Fuente: propria Imagen 11. Etiqueta energética 2 para el sistema VRV elegido Fuente: propia