Rehabilitación e instrumentación energética de viviendas sociales con criterios pasivos. Estudio de caso en invierno

Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1319 70. Rehabilitación e instrumentación energética de viviendas sociales con criterios pasivos. Estudio de caso en invierno. Melgar S.G.1,2,*, Andújar J.M.1, Bohórquez M.A.1 (*) Grupo de investigación TEP 192 ”Control y Robótica”, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Huelva, 21871 Palos de la Frontera (Huelva), España, [email protected], +34687880714 (1) Grupo de investigación TEP 192 ”Control y Robótica”, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Huelva, 21871 Palos de la Frontera (Huelva), España (2) LAR Arquitectura, c/ Puerto 5 entreplanta A, 21003 Huelva, España Resumen: El presente trabajo analiza las condiciones de confort interior en viviendas pasivas en invierno, en función de la variación diaria de la temperatura del aire interior en condiciones de envolvente estanca. Demuestra en base a datos obtenidos mediante la instrumentación en tiempo real de la vivienda rehabilitada que es posible alcanzar condiciones de confort compatibles con situaciones de pobreza energética en condiciones de invierno, sin necesidad de sistemas activos de climatización. Propone la adaptación del estándar passivhaus para la rehabilitación energética de edificios existentes, centrando las actuaciones en mejorar la calidad y continuidad de la envolvente térmica, reduciendo al máximo las infiltraciones de aire y garantizando la calidad del aire interior instalando un sistema de ventilación de doble flujo con recuperación de calor. Palabras clave: Eficiencia energética, Confort interior, Edificios de consumo de energía casi Nula (ECCN), Passivhaus, Rehabilitación energética, Pobreza energética, Ruina energética, Instrumentación energética. 1. Introducción El sector de la edificación es clave para la reducción de gases de efecto invernadero responsables del fenómeno del calentamiento global (Cellura, Guarino, Longo, Mistretta, & Orioli, 2013; Mohareb & Mohareb, 2014; Ramon & Burgos, 2008; Stojiljković, Ignjatović, & Vučković, 2015). Múltiples investigaciones se centran en cómo proyectar y construir edificios de nueva planta con un comportamiento energético muy eficiente a modo de demostradores de investigación (Aldegheri et al., 2014; Irulegi, Torres, Serra, Mendizabal, & Hernández, 2014; Navarro et al., 2014; Ochoa & Capeluto, 2008; Pataky, Áts, Áts-Leskó, & Birtalan, 2014; Rodriguez-Ubinas, Montero, et al., 2014; Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1320 Rodriguez-Ubinas, Rodriguez, Voss, & Todorovic, 2014; Serra Soriano, Verdejo Gimeno, Díaz Segura, & Merí De La Maza, 2014; Terrados & Moreno, 2014; Terrados-Cepeda, Baco-Castro, & Moreno-Rangel, 2015). Otras centran el problema en la necesidad nuevas técnicas de construcción seca o prefabricada, con altos niveles de industrialización en los procesos (Avellaneda, González, Marques, & Vidal, 2009; Ruiz-Larrea, Prieto, & Gómez, 2008), pero casi siempre aplicados a nueva edificación, un sector marginal en la situación de crisis del sector en la que nos encontramos. Son muchos menos los estudios que focalizan el problema en cómo mejorar la eficiencia energética en la edificación existente, casi todos basándose principalmente en datos obtenidos mediante simulaciones energéticas (Chow, Li, & Darkwa, 2013; Chuah, Raghunathan, & Jha, 2013; Kharseh & AlKhawaja, 2016; Murray, Walsh, Kelliher, & O'Sullivan, 2014), sin entrar a medir y a analizar el comportamiento real de los edificios rehabilitados con sistemas de instrumentación y análisis de variables físicas medidas in situ. La situación actual del parque edificado español de viviendas principales (Estadística, 2011) es en un 55,9% previa a la primera regulación sobre condiciones térmicas en la edificación (Urbanismo, 1979), por lo que su comportamiento energético podría calificarse de ruinoso, desde los estándares normativos actuales. Según esa misma estadística del INE, un 29% más son previas a 2002, y por tanto muy anteriores a la regulación actual en materia de ahorro de energía (Fomento, 2006), que ha sido recientemente actualizada con fecha de septiembre de 2013. Según Suárez y Fragoso (Sua!rez, 2016), el paso fundamental para alcanzar el objetivo marcado por la directiva 2010/31/UE consiste en la limitación al consumo de energía primaria no renovable y a la demanda energética en el edificio. La propia directiva europea deja indefinido el concepto de ECCN, confiando en los reglamentos a desarrollar por cada estado miembro la concreción del concepto. El estándar de edificación passivhaus (Asdrubali, Bonaut, Battisti, & Venegas, 2008; Blunden, 2009; Brew, 2011; Cagna, 2012) fija, entre otros criterios la limitación de consumo de energía primaria en 120 kWh/m2 anuales, y los de demanda de energética de calefacción y refirgeración en 15 kWh/m2 anuales. Por otra parte, el problema de la pobreza energética, entendido como la necesidad de la unidad familiar de invertir en energía más del 10% de su renta mensual (De Luxan Garcia De Diego, Gómez Muñoz, & Román López, 2015), es creciente en nuestra sociedad, habida cuenta del continuo aumento de los precios de la energía y de la crisis económica que provoca el empobrecimiento de la mayoría de los ciudadanos de la eurozona. En esas condiciones no es razonable trabajar en clave de reducción de la demanda o de plazos de amortización, sino en la mejora de las condiciones de vida de los usuarios de esas viviendas. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1321 El presente trabajo quiere completar un hueco importante en la bibliografía, orientado al estudio del confort térmico en el interior de viviendas sociales rehabilitadas en situación de pobreza energética. Se trata en definitiva de cómo mejorar las condiciones de vida de familias sin recursos para abordar los gastos corrientes derivados de la factura energética de su vivienda. Y de cómo conseguirlo a partir de medidas pasivas en la envolvente de la vivienda. El presente trabajo se estructura de la forma que se expone a continuación. En el segundo apartado se describe la vivienda tipo estudiada, sus características arquitectónicas y constructivas. En el tercer apartado se expone la actuación de rehabilitación energética practicada en la vivienda. En el cuarto apartado se desarrolla el material y método específicamente desarrollado para la investigación que da soporte a este trabajo, y que han posibilitado la obtención de los resultados expuestos a continuación. En el quinto apartado se analizan los principales resultados obtenidos, que son ampliados y discutidos en el siguiente. En el séptimo y último apartado se reflejan las principales conclusiones obtenidas en la investigación. 2. Modelo de estudio La vivienda estudiada se ubica en la ciudad de Huelva, con un clima templado en invierno, cálido en verano y un alto nivel de insolación anual. Integrada en un edificio plurifamiliar entre medianeras, forma parte de un tipo representativo de los crecimientos residenciales masivos de los años 60, 70 y 80 en España. Se ubica en la cuarta planta de un edificio de cinco plantas totales. Cuenta con dos fachadas opuestas: una exterior orientada a sureste por donde se produce el acceso al edificio y otra noroeste a patio interior de manzana, lo cual favorece la ventilación cruzada. La vivienda objeto de estudio está habitada por una familia joven de cinco miembros y tiene una superficie construida de 104,44 m2. Las calidades constructivas de la vivienda antes de la rehabilitación son muy deficientes, con cerramientos enfoscados y pintados exteriormente formados por citara, cámara de aire no ventilada y discontinua sin aislamiento interior, y trasdosado interior con tabique simple de rasilla. Las carpinterías son correderas de aluminio sin rotura de puente térmico, con vidrios monolíticos de 4 mm de espesor. El nivel de infiltraciones de aire exterior en la vivienda es muy alto. No incorpora sistema de ventilación ni de extracción de aire en baños. Las condiciones de confort interior de la vivienda previas a la rehabilitación son pésimas, tanto en verano como en invierno, según reportan sus usuarios. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1322 3. Actuación de rehabilitación Se han realizado actuaciones bajo el concepto de vivienda pasiva o de consumo de energía casi nulo (ECCN) aplicando el estándar de edificación passivhaus a la rehabilitación de viviendas, lo cual conlleva asegurar la mejora y continuidad del aislamiento térmico y la estanqueidad al aire de la envolvente de la vivienda. Estas actuaciones de rehabilitación energética se enmarcan dentro del proyecto de I+D+i EREBA2020 del grupo de investigación TEP192 Control y Robótica, financiado con cargo a fondos FEDER por la Consejería de Fomento y Vivienda de la Junta de Andalucía. La actuación de rehabilitación energética de la envolvente en la vivienda ha consistido en la aplicación de un sistema de aislamiento térmico por el exterior (SATE) de lana mineral (LM) de 10 cm de espesor (Ver figura 1), dispuesta en dos capas contrapeadas de 5+5. El sistema concreto instalado es el denominado ISOFEX de la marca comercial Isover. Para la solución de huecos de la vivienda se ha instalado un sistema de carpinterías de PVC practicables de siete cámaras (valor de Uf= 1,1 W/m2K) y espesor total de 82 mm que alojan vidrios de doble cámara bajo emisiva inyectada con gas argón al 90% de perfil 6/15/6/15/6 (valor de Ug= 0,6 W/m2K). Para no perjudicar la funcionalidad del espacio, en las cocinas se instalaron carpinterías de PVC correderas de cinco cámaras (valor de Uf= 2,4 W/m2K) y espesor total 72 mm que alojan vidrios de cámara bajo emisiva inyectada con gas argón al 90% de perfil 6/16/6 (valor de Ug= 1 W/m2K). El puente térmico entre el cerramiento Fig. 1 Imagen de la fachada de la vivienda durante la obra Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1323 existente y el marco de la carpintería (instalado a cara exterior de fachada, en el mismo plano que el aislamiento SATE) se resuelve mediante sistema SWS de la marca comercial Soudal, consistente en junta expansiva semipermeable -continua en todo el perímetro del marcosellado con espuma de poliuretano flexible y rejuntado con silicona neutra de alta durabilidad (Ver figura 2). Para fijar mecánicamente la pesada carpintería a la hoja de cerramiento original de la fachada y mantenerla volada con respecto a la misma (consiguiendo una continuidad completa de la envolvente térmica, con ausencia absoluta de puentes térmicos en el encuentro con los huecos de fachada) se ha optado por instalar cajones completos formados con paneles fenólicos en cada uno de los huecos. Las medianeras verticales de la vivienda se han tratado por el interior (ya que éstas resultan inaccesibles por el exterior) mediante trasdosado de tabique de doble Fig. 2 Detalles de ejecución de huecos Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1324 placa a una cara de yeso laminado autoportante con aislamiento continuo (no entre perfiles), de lana mineral de 5 cm de espesor. Igualmente se ha actuado sobre el techo y sobre el suelo de la vivienda ya que la situación de pobreza energética de la mayoría de las viviendas de la zona podría provocar importantes flujos de calor a través de los forjados. En concreto, se ha revestido el techo con panel aislante continuo de lana mineral de 5 cm de espesor, sujeto mediante perfilería de omegas de acero galvanizado de bajo perfil (2,5 cm) y revestida de placa simple de yeso laminado. La solería de tarima flotante de la vivienda se ha levantado y vuelto a montar, para colocar bajo ella lámina aislante de bajo perfil (8 mm), compuesta de polietileno expandido, lámina termoreflexiva de aluminio y lámina antimpacto de burbujas de aire. La actuación de rehabilitación se ha completado con la instalación de un sistema de renovación que garantice la calidad del aire interior para los valores de alta estanqueidad conseguidos tras la obra (h-1 = 1 en el blower door test). La solución instalada consiste en un sistema de ventilación forzada de doble flujo de aire por conducto, con recuperación de calor de alta eficiencia. La máquina principal (Ver figura 3) consta de un ventilador de velocidad variable (100-350 m3/h), con un total de cuatro conductos: dos para ida y retorno del aire interior y dos de toma y expulsión de aire exterior. El sistema recupera en invierno el calor del aire viciado interior de la vivienda antes de expulsarlo al exterior, consiguiendo de esa manera que el aire fresco proveniente del exterior incremente su temperatura antes de ser impulsado al interior, con un rendimiento del 93%. Los conductos por donde se impulsa el aire de ventilación a muy baja velocidad discurren por el falso techo del pasillo, con impulsiones en habitaciones vivideras (sala de estar y dormitorios) y retornos en cuartos húmedos (cocina y baños). Para funcionar en condiciones de verano, la máquina está dotada de una sonda de temperatura que activa un by-pass para hacer funcionar el sistema en modo freecooling cuando se produce un tendencia al sobrecalentamiento. Fig. 3 Recuperador de calor y sistema de conductos de renovación de aire Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1325 Las figuras 4 y 5 muestran el esquema del cerramiento antes y después de la rehabilitación, así como sus principales parámetros físicos, análisis de transmitancias y condensaciones intersticiales. Fig. 5 Cerramiento exterior de la vivienda después de la rehabilitación Fig. 4 Cerramiento exterior de la vivienda antes de la rehabilitación Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1326 4. Material y método La metodología empleada en esta investigación parte de un modelado 3D de la vivienda utilizando el estándar Building Information Modelling (BIM). Este modelo BIM permite optimizar la toma de decisiones en fase de anteproyecto al tratarse de una base de datos dinámica que integra información geométrica, energética y constructiva. Una vez tomadas las principales decisiones (geometría, implantación, orientación y protección de huecos), para la simulación energética del proyecto de ejecución se utilizó la herramienta EnergyPlus por su potencia y capacidad de personalización. No existen mediciones de temperatura en estado previo a la rehabilitación, ya que si bien se instaló un sistema de instrumentación en algunas de las estancias, sólo pudieron medirse dos meses de verano debido a los plazos previstos de obra; no resultando representativas como comparación para un estudio en clima frío. Se considera que el confort térmico en invierno a efectos de esta investigación está determinado desde el punto de vista cualitativo por la ausencia de fluctuaciones importantes de temperatura, y desde el punto de vista cuantitativo por aquellas condiciones de temperatura por encima de los 18 ºC. Los datos adquiridos en el mes de diciembre del año 2015 incluidos en este trabajo, se han realizado en condiciones de vivienda ocupada, y sin aporte alguno de sistemas de calefacción. En ningun caso se han abierto las ventanas, manteniendo la calidad del aire interior gracias al sistema de ventilación con recuperación de calor instalado. Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1327 Para la adquisición de los datos de temperatura en el exterior e interior de la vivienda se han instalado dos sensores por estancia, seleccionando a efectos del presente trabajo los localizados en el salón principal y cocina, por tratarse de estancias de uso de día ubicadas en fachadas opuestas de la vivienda. Toda la sensorística instalada está cableada a nivel de señales y gobernada por un máster principal que centraliza todas las comunicaciones y las envía a través de internet a los servidores del grupo de investigación en la ETS de Ingeniería de la Universidad de Huelva, donde quedan almacenados los datos en tiempo real. En la figura 6 podemos ver dos de los sensores instalados en el interior y el exterior de la vivienda. Igualmente, en la figura 4 observamos la centralización de comunicaciones ubicada en un cuadro anexo al de electricidad de la vivienda, junto a la puerta. Para la adquisición y posterior almacenamiento de todas las señales de la vivienda bajo estudio se ha desarrollado una aplicación software (instrumento virtual) que Máster principal Cuadro general protecciones Esclavo vivienda Fig. 6 Sensor interior, sensor exterior y centralización de comunicaciones de instrumentación Libro de Actas del 3er Congreso Internacional de Construcción Sostenible y Soluciones Eco-Eficientes 1334 Mohareb, E. A., & Mohareb, A. K. (2014). A comparison of greenhouse gas emissions in the residential sector of major Canadian cities. Canadian Journal of Civil Engineering, 41(4), 285-293. doi: 10.1139/cjce-2013-0465 Murray, S. N., Walsh, B. P., Kelliher, D., & O'Sullivan, D. T. J. (2014). Multivariable optimization of thermal energy efficiency retrofitting of buildings using static modelling and genetic algorithms - A case study. 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Paper presented at the PLEA 2008 - Towards Zero Energy Building: 25th PLEA International Conference on Passive and Low Energy Architecture, Conference Proceedings. Rodriguez-Ubinas, E., Montero, C., Porteros, M., Vega, S., Navarro, I., CastilloCagigal, M., . . . Gutiérrez, A. (2014). Passive design strategies and performance of Net Energy Plus Houses. Energy and Buildings, 83, 10-22. doi: 10.1016/j.enbuild.2014.03.074 Rodriguez-Ubinas, E., Rodriguez, S., Voss, K., & Todorovic, M. S. (2014). Energy efficiency evaluation of zero energy houses. Energy and Buildings, 83, 2335. doi: 10.1016/j.enbuild.2014.06.019 Ruiz-Larrea, C., Prieto, E., & Gómez, A. (2008). Architecture, industry and sustainability. Informes de la Construccion, 60(512), 35-45. doi: 10.3989/ic.08.037 Serra Soriano, B., Verdejo Gimeno, P., Díaz Segura, A., & Merí De La Maza, R. (2014). Assembling sustainable ideas: The construction process of the proposal SMLsystem at the Solar Decathlon Europe 2012. 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