Simulación anual de la demanda de refrigeración y calefacción de una vivienda

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Simulación anual de la demanda de refrigeración y calefacción de una vivienda. Dep. Ingeniería Energética Grupo Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Autor: Francisco Encinas Lunar Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Sevilla, 2019 III Proyecto Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Simulación anual de la demanda de refrigeración y calefacción de una vivienda. Autor: Francisco Encinas Lunar Tutor: Francisco Javier Pino Lucena Profesor titular Dep. Ingeniería Energética Grupo Termotecnia Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 V Proyecto Fin de Grado: Simulación anual de la demanda de refrigeración y calefacción de una vivienda. Autor: Francisco Encinas Lunar Tutor: Francisco Javier Pino Lucena El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal VII A mis padres, Francisco e Inma A mi hermana, Inma IX Agradecimientos En primer lugar, quiero expresar mi agradecimiento a Francisco Javier por haberme brindado la oportunidad de realizar el Trabajo Fin de Grado con él. Gracias por su atención y tiempo empleado en la realización del mismo. Gracias a mis padres, por ellos soy quien soy y hacia quienes sólo puedo expresar mi sincero agradecimiento por apoyarme siempre. Por último, muchas gracias a mis compañeros y amigos, quienes me han dado confianza y apoyo en los peores momentos, y hemos compartido experiencias, alegrías, tristezas, peleas y celebraciones que nos han llevado a ser una familia. Francisco Encinas Lunar Sevilla, 2019 Índice de Tablas Tabla 1: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica del muro tipo 1.[15] 4 Tabla 2: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica del muro tipo 2.[15] 5 Tabla 3: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica del muro tipo 3.[15] 5 Tabla 4: Coeficientes globales de transferencia de calor según el tipo de muro. 6 Tabla 5: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica del suelo.[15] 6 Tabla 6: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica del techo 1[15]. 8 Tabla 7: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica del techo 2.[15] 8 Tabla 8: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica de las ventanas.[15] 8 Tabla 9: Lista de materiales con sus espesores y conductividad térmica de las puertas de la terraza y patio.[15] 9 Tabla 10: Coeficientes globales de transferencia de calor según el tipo de puerta. 9 Tabla 11: Comparación de los valores calculados y los valores límite. 11 Tabla 12: Áreas de las diferentes estancias a climatizar en la planta baja.[15] 14 Tabla 13: Áreas de las diferentes estancias a climatizar en la planta primera.[15] 14 Tabla 14: Dimensiones y orientación de los huecos de las diferentes estancias a climatizar.[15] 15 Tabla 15: Área de los elementos de estudio de la vivienda.[15] 15 Tabla 16: Condiciones interiores de diseño. [4] 16 Tabla 17: Caudales mínimos en cada estancia de la casa. 22 Tabla 19: Características de los diferentes tipos de ventanas. 28 Tabla 18: Factor de uso y potencia de los distintos aparatos. 36 Tabla 20: Espesores límites del aislante de sus respectivas superficies. 41 Tabla 21: Resultados de simulación anual 49 XVII Índice de Figuras Figura 1: Circuito térmico equivalente 3 Figura 2: Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el exterior en m2 K/W. [2] 3 Figura 3: Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el exterior en m2 K/W. [2] 6 Figura 4: Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el exterior en m2 K/W. [2] 7 Figura 5: Cuadro de zonas climáticas y cambio de zona dependiendo de la altitud. [4] 10 Figura 6. Valores límite de los parámetros característicos medios. [4] 10 Figura 7: Diagrama psicrométrico. 12 Figura 8: Distribución de la vivienda. Planta baja [15] 13 Figura 9: Distribución de la vivienda. Planta primera. [15] 14 Figura 10: Caudales de ventilación mínimos exigidos. [3] 22 Figura 11: Factor de sombra para obstáculos de fachada: Retranqueo. [4] 28 XIX Índice de Gráficos Gráfico 1:Temperatura exterior en grados centígrados cada hora del año 17 Gráfico 2: Humedad relativa en tanto por ciento cada hora del año 17 Gráfico 3: Carga térmica en el muro en el período de calefacción. 19 Gráfico 4: Carga térmica en el techo en el período de calefacción. 19 Gráfico 5: Carga térmica en las puertas en el período de calefacción. 20 Gráfico 6: Carga térmica en ventanas en el período de calefacción. 20 Gráfico 7: Carga térmica de Transmisión en el período de calefacción. 21 Gráfico 8: Carga térmica total de ventilación en período de calefacción. 23 Gráfico 9: Carga térmica por infiltraciones en período de calefacción. 24 Gráfico 10: Carga térmica por intercambio de aire en período de calefacción. 24 Gráfico 11: Radiación global diaria a lo largo del año. 25 Gráfico 12: Radiación difusa diaria a lo largo del año. 25 Gráfico 13: Radiación directa diaria a lo largo del año. 26 Gráfico 14: Radiación reflejada diaria a lo largo del año. 26 Gráfico 15: Carga térmica por radiación orientación Norte. 27 Gráfico 16: Carga térmica por radiación orientación Sur. 29 Gráfico 17: Carga térmica por radiación en período de calefacción. 29 Gráfico 18: Carga térmica total en período de calefacción. 30 Gráfico 19: Carga térmica de transmisión en el muro en el período de refrigeración. 31 Gráfico 20: Carga térmica de transmisión en el techo en período de refrigeración. 31 Gráfico 21: Carga térmica de transmisión en las ventanas en el período de refrigeración. 32 Gráfico 22: Carga térmica de transmisión en las puertas en el período de refrigeración. 32 Gráfico 23: Carga térmica de transmisión en el período de refrigeración. 33 Gráfico 24: Carga térmica de ventilación en el período de refrigeración. 33 Gráfico 25: Carga térmica de infiltraciones en el período de refrigeración. 34 Gráfico 26: Carga térmica por intercambio de aire en período de refrigeración. 34 Gráfico 27: Carga térmica total por radiación en el período de refrigeración. 37 Gráfico 28: Carga térmica total de refrigeración. 37 Gráfico 29: Carga térmica total anual. 38 Gráfico 30: Coeficiente global de transferencia de calor del muro 1 frente al espesor del aislante. 41 Gráfico 31: Coeficiente global de transferencia de calor del muro 2 frente al espesor del aislante. 41 Gráfico 32: Coeficiente global de transferencia de calor del muro 3 frente al espesor del aislante. 42 Gráfico 33: Coeficiente global de transferencia de calor del techo 1 frente al espesor del aislante. 42 XXI Gráfico 34: Coeficiente global de transferencia de calor del techo 2 frente al espesor del aislante. 43 Gráfico 35: Coeficiente global de transferencia de calor del suelo frente al espesor del aislante. 43 Gráfico 36: Energía consumida en los períodos de calefacción y refrigeración frente al espesor del aislante. 44 Gráfico 37: Energía anual consumida en el período de calefacción frente la variación de temperatura interior. 45 Gráfico 38: Energía anual consumida en el período de refrigeración frente la variación de temperatura interior. 45 Gráfico 39: Energía anual consumida en el período de calefacción frente la variación de la humedad relativa interior. 46 Gráfico 40: Energía anual consumida en el período de refrigeración frente la variación de la humedad relativa interior. 47 Gráfico 41: Energía anual consumida en el período de refrigeración frente la variación del factor sombra. 48 Gráfico 42: Carga térmica total anual en Sevilla. 50 Gráfico 43: Carga térmica total anual en Burgos. 50 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Objetivos El objetivo fundamental por el que se lleva a cabo este Trabajo Fin de Grado es con el propósito de ver la importancia de la realización previa de un estudio energético de los edificios. En este caso, se estudiará el consumo de un sistema de climatización en una vivienda unifamiliar situada en el municipio de Pozoblanco (Córdoba). Para ello se realizará una simulación anual la cual dividiremos en dos períodos, calefacción y refrigeración. Se calcularán las cargas térmicas de la vivienda en ambos períodos, con el aporte de los planos constructivos de la vivienda. La normativa en la que se basará es el Código Técnico de la Edificación (CTE), dentro del cual se encuentra el documento básico de Ahorro de Energía, así como el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE). Se procederá a hacer un estudio de sensibilidad de los parámetros interiores de diseño de la vivienda como el espesor del aislante de los elementos constructivos, la temperatura y humedad relativa interior, y el efecto de la radiación solar incidente sobre las ventanas. En dicho estudio se pretende comprobar cómo afectan dichos parámetros al consumo de energía del sistema de climatización y confort de la vivienda. El último punto de este Proyecto consistirá en realizar una simulación, utilizando la misma vivienda, en Sevilla y Burgos, los cuales presentan dos climas opuestos. Con ello se podrá observar las diferencias entre ambas localizaciones. 1.2 Eficiencia energética en la edificación El sector de la edificación representa un gran porcentaje del consumo de energía final en España. Dicha energía viene del consumo de energías primarias, como son los combustibles fósiles. No obstante, se está implementando cada vez más el uso de energías renovables para el consumo de energía en el ámbito de la climatización. Lo que se pretende es conseguir un ahorro energético, económico y una reducción de la contaminación. En la edificación el consumo de energía se ha limitado por la aplicación de Código Técnico de la Edificación, en su apartado de ahorro de energía, donde las condiciones que establece permiten limitar la demanda de energía en los edificios, mejorar la eficiencia de las instalaciones térmicas e incluir energías renovables. Esto supone además una disminución de la dependencia energética y un aumento de la lucha contra el cambio climático. Por tanto, uno de los objetivos es la rehabilitación de los edificios para conseguir un mejor rendimiento energético. El Código Técnico de la Edificación establece unas pautas para conseguir mejorar la calidad de los edificios, por lo que, es de vital importancia seguir sus instrucciones para realizar nuevas edificaciones. Por ello, conseguir mayor seguridad y bienestar de las personas. El estudio que se realiza en este trabajo ha seguido los requisitos impuestos por el Código Técnico de la Edificación. Por consiguiente, se pretende obtener unos resultados que demuestren la importancia de un estudio previo de las cargas térmicas, para conseguir un ahorro energético. Cálculos previos 2 2 CÁLCULOS PREVIOS Al comienzo de este proyecto, se procederá a obtener unos resultados numéricos, mediante el uso de ecuaciones de transferencia de calor, que serán de utilidad para el cálculo de las distintas cargas térmicas de la vivienda. 2.1 Circuito térmico equivalente Para llevar a cabo el estudio de las cargas térmicas, para los cálculos del flujo de calor a través de las distintas superficies en el proyecto, se ha utilizado como método el “circuito térmico equivalente”. Este método se aplica para el caso en el que el flujo de calor sea unidimensional sin generación de energía y cuando las propiedades de los materiales que atraviesa el flujo de calor sean constantes. Cuando se habla de conducción de electricidad se emplean resistencias eléctricas y para el caso de la conducción térmica se aplica el mismo concepto, pero en este caso se utilizan resistencias térmicas. Dependiendo del fenómeno de transferencia de calor que tenga lugar, las ecuaciones de las resistencias térmicas serán diferentes. Partiendo de la Ley de Ohm, se pueden deducir las ecuaciones para el fenómeno de conducción y convección. 𝑅𝑒= 𝐸1−𝐸2 𝐼= 𝐿 𝜎𝐴 (𝐸𝑐.9) L, es la distancia que atraviesa la corriente eléctrica, σ su conductividad y A el área que atraviesa. Para la conducción 𝑅𝑡,𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑇1−𝑇2 𝑞𝑥= 𝐿 𝐾𝐴 (𝐸𝑐.10) La diferencia con la resistencia eléctrica es K, conductividad térmica del material. Para el caso de convección 𝑅𝑡,𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑇1−𝑇∞ 𝑞= 𝐿 ℎ𝐴 (𝐸𝑐.11) El flujo de calor no se ve influido por la distancia y se sustituye la conductividad del material por el coeficiente de convección h, que depende de la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido y un conjunto de propiedades de transporte y termodinámicas del fluido. Mediante el uso de este modelo se puede simplificar la compresión y cálculo de todo tipo de problemas referentes a la transmisión de calor a través de cuerpos. Para el caso que nos ocupa, el método del circuito equivalente se utilizará para el cálculo de transferencia de calor a través de las superficies de la vivienda. En la siguiente figura se representa un esquema de este método. 3 Figura 1: Circuito térmico equivalente Para modelar la pared por medio del modelo de resistencias térmicas también hace falta introducir la transferencia de calor por convección, que como se indica en el código técnico de la edificación y según la orientación de dicha transferencia, se tiene unos coeficientes de convección distintos. En este caso al ser la transferencia de calor a través del muro de la vivienda los valores exterior e interior del coeficiente de convección se muestran en la siguiente figura. Figura 2: Resistencias térmicas superficiales de cerramientos en contacto con el exterior en m2 K/W. [2] El código técnico de la edificación marca que en invierno la temperatura interior de confort son 20ºC y en verano la temperatura de confort se eleva hasta los 25ºC. La temperatura exterior que se utilizará para los cálculos se obtiene de mediciones cada hora durante todo el año, por lo que se tendrá la temperatura de cada hora del año, pudiendo así obtener datos fiables. 2.2 Coeficiente global de transferencia de calor Para los sistemas que se distribuyen en capas, como en el muro de la vivienda que se estudia, se utiliza el coeficiente global de transferencia U (W/m2 K), que es la capacidad que tiene las superficies de los materiales para transmitir el calor, el cual se relaciona mediante la siguiente fórmula 𝑞𝑥=𝑈 𝐴 ∆𝑇 (𝐸𝑐.12) ∆𝑇: Diferencia total de temperaturas, para este caso es la diferencia de temperatura interior y exterior. El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia total de la siguiente forma Cálculos previos 10 del código técnico de la edificación en función de la altura entre la localidad en la que se encuentra la vivienda y la altura de referencia de la capital de provincia. La localidad en la que se encuentra la vivienda es Pozoblanco, una localidad del Noroeste de la provincia de Córdoba cuya altitud son 649 metros. La capital de la provincia que se utiliza como referencia es Córdoba, cuya altitud es de 113 metros por lo que la diferencia de altitud son 536 metros. Figura 5: Cuadro de zonas climáticas y cambio de zona dependiendo de la altitud. [4] La diferencia de altura que existe entre Pozoblanco y Córdoba es mayor de 400 metros y menor de 600 metros, por tanto, se toma la zona climática C2, según la figura 5. Con este dato de zona climática se procederá a la verificación de los valores límite de los parámetros característicos medios, que para la zona climática de la localidad los muestra la figura 6. Figura 6. Valores límite de los parámetros característicos medios. [4] 11 Para la comparación y comprobación de estos valores límite se mostrará en la tabla 11 los distintos coeficientes globales de transferencia de calor Elemento Valores calculados (W/m2 K) Valores límite (W/ m2K) Muros 0,559 | 0,625 | 0,378 0,73 Suelos 0,431 0,50 Cubiertas 0,237 | 0,377 0,41 Ventanas 1,201 --- Puertas 5,867 | 1,587 | 5,878 --- Tabla 11: Comparación de los valores calculados y los valores límite. A la vista de los datos de la tabla 11, se puede concluir que los cerramientos están dentro de los límites marcados por el código técnico de la edificación, por tanto, la vivienda con estos materiales se puede construir cumpliendo las leyes españolas. 2.3 Psicrometría Los elementos constructivos y algunos equipos utilizados habitualmente en la vivienda, en ocasiones, ya sea por su funcionamiento o por los factores climáticos externos también presentan un calor latente. Este calor latente se debe a una diferencia de humedad. La psicrometría se encarga de su estudio y es necesario hacer una mención a este tema, ya que se utilizará más adelante en este proyecto. Sólo hay cinco cambios posibles en la condición del aire, todos representados fácilmente en el diagrama psicrométrico, desde el punto de estado inicial hasta un segundo punto que representa una condición diferente. Los distintos procesos son los siguientes: procesos de calor sensible constante, con temperatura de bulbo seco constante, procesos de calor latente constante, con un contenido en humedad y una temperatura de rocío constante, procesos adiabáticos, procesos de humedad relativa constante o una combinación de cualquiera de los procesos anteriores En este proyecto utilizaremos un diagrama psicrométrico como en de la figura 7 para el cálculo de los valores de la humedad interior y exterior introduciendo la humedad relativa absoluta y la temperatura. Cálculos previos 12 Figura 7: Diagrama psicrométrico. 13 3 CARGAR TÉRMICAS 3.1 Introducción El primer paso para determinar la potencia térmica necesaria para cubrir la demanda de cualquier instalación, que se quiera diseñar, se conoce como cálculo de cargas. Se realiza un balance de pérdidas y ganancias de calor. Entre dichas cargas tenemos las sensibles que se corresponden a variaciones de temperatura seca del aire y las latentes que se corresponden a variaciones de cantidad de vapor de agua del aire. Los datos utilizados para la realización de la simulación anual han sido obtenidos de la página web del Código Técnico de la Edificación. 3.2 Descripción del edificio El edificio objeto de estudio se trata de una vivienda unifamiliar situada en el municipio de Pozoblanco, en la provincia de Córdoba. La vivienda tiene 213,24 m2 dispuestos en dos plantas. La distribución se puede ver en el plano situado en las figuras 8 y 9. Figura 8: Distribución de la vivienda. Planta baja [15] Cargar Térmicas 14 Figura 9: Distribución de la vivienda. Planta primera. [15] En total, se dispone de las siguientes estancias a climatizar: Planta baja Área (m2) Vestíbulo y pasillo principal 13,31 Dormitorio 1 y cambiador 17,3 Baño 1 5,4 Baño 2 5,6 Dormitorio 2 8,64 Salón 26 Cocina 17,73 Lavadero 6,87 Tabla 12: Áreas de las diferentes estancias a climatizar en la planta baja.[15] Planta primera Área (m2) Dormitorio 3 16,84 Dormitorio 4 18,78 Dormitorio 5 10,68 Baño 3 7,5 Pasillo y escaleras 15,26 Tabla 13: Áreas de las diferentes estancias a climatizar en la planta primera.[15] Además, dispone de un garaje de 17,3 m2, un patio interior de 17,21 m2, una terraza en la primera planta de 36,25 m2 y un trastero de 18,09 m2, que consideraremos estancias no climatizadas el garaje y el trastero, y como exterior el patio interior y la terraza. Para el posterior cálculo de las cargas térmicas del edificio, necesitamos conocer antes el área de las diferentes puertas y ventanas de cada estancia, y con estas obtener el área de muro correspondiente. En la siguiente tabla se presentan las dimensiones de las ventanas y puertas de cada estancia, así como su orientación. 15 Local Ventana Puerta Cocina --- 2,10 x 1,10 m - Este Lavadero 1,20 x 1,20m - Sur --- Terraza 1,20 x 1,20m - Norte 2,20 x 1,40 m - Norte Vestíbulo --- 2,54 x 1,40 m - Sur Dormitorio 1 1,62 x 1,20 m - Sur --- Dormitorio 2 1,20 x 1,20m - Norte --- Dormitorio 3 2,32 x 1,20 m- Sur --- Dormitorio 4 2,32 x 1,20 m- Sur --- Dormitorio 5 1,20 x 1,20m - Norte --- Salón 2,20 x 2,25 m - Este --- Tabla 14: Dimensiones y orientación de los huecos de las diferentes estancias a climatizar.[15] Sabiendo que la altura del edificio es de 6,85 m, la altura de las estancias es 2,9 y conocidas las dimensiones de los huecos, podemos obtener el área de las zonas susceptibles de transmisión de calor, distinguiendo entre zonas en contacto con el exterior, con una casa colindante y en contacto con las superficies no climatizables. En la tabla 15 se muestran las diferentes áreas de transferencia de calor, calculados a partir de los planos de la vivienda. Elemento Exterior (m2) Casa colindante (m2) Sup. No climatizable (m2) Muro tipo 1 82,47 200,98 --- Muro tipo 2 --- 21 23,7 Muro tipo3 9,41 --- --- Techo tipo 1 60.06 --- --- Techo tipo 2 3,97 --- 18,1 Suelo 100,85 --- --- Ventanas 18,22 --- --- Puertas 5,39 --- --- Puerta principal 3,56 --- --- Puerta garaje 6,93 --- ---- Tabla 15: Área de los elementos de estudio de la vivienda.[15] 3.3 Componentes de la carga térmica La carga térmica presenta 4 componentes: Cargar Térmicas 16 1) Carga térmica de transmisión: se trata de una carga sensible la cual se origina por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del edificio, es decir es por una carga transmitida al edificio a través de los diferentes cerramientos por conducción. 2) Carga térmica de intercambio de aire: esta se divide a su vez en carga de ventilación y carga de infiltraciones, teniendo cada una componente sensible y otra latente. La carga de ventilación es debida a la renovación del aire interior, mientras que la de infiltraciones es debida a la no estanquidad del edificio (puertas y ventanas). 3) Carga térmica interna: es debida al uso del edificio, es decir, el calor aportado es proporcionado por los ocupantes, tanto de forma sensible como latente, y la iluminación y equipos eléctricos del edificio, únicamente de forma sensible. Esta constituirá una ganancia térmica, por lo que sirve como apoyo al sistema calefactor, por lo que únicamente consideraremos esta carga en el caso de la carga de refrigeración. 4) Carga térmica de radiación: se trata de una carga sensible originada por la incidencia de la radiación solar sobre las superficies internas del edificio. Al igual que en el caso de la carga interna, esta carga solo ha de ser tenida en cuenta en el caso de la carga de refrigeración. Además, para calcular la carga térmica del edificio se precisan unas condiciones de diseño. 3.4 Condiciones de diseño A la hora de calcular las cargas térmicas se ha de dejar claro que va a ser una simulación de estudio a lo largo de un año. Un año se puede dividir en horas, días, semanas, meses o en estaciones. Se dividirá el año en dos períodos, el período invernal y el período estival. Para el cálculo de las cargas térmicas es necesario conocer el coeficiente global de transferencia de calor de las superficies susceptibles de ello, así como su área, la diferencia de temperatura entre el interior y exterior de la vivienda y la diferencia de humedades relativas interior y exterior. El período invernal pertenece al período de calefacción, mientras que el período estival es el que se refiere al período de refrigeración. Este último comienza a partir del 15 de abril a las 16:00 horas y termina el 15 de octubre a las 21:00. Los valores de temperatura interior y de humedad relativa los fija el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE), en el cual se fijan dichas condiciones tanto para verano como para invierno y cuyos valores se muestran en la siguiente tabla: Estación Temperatura operativa Humedad relativa Verano 23 a 25 ºC 45 a 60 % Invierno 20 a 23 ºC 40 a 50 % Tabla 16: Condiciones interiores de diseño. [4] De acuerdo con la tabla anterior seleccionaremos una humedad relativa de diseño de 50% para invierno y verano. 17 En el caso de la temperatura fijaremos una temperatura interior de diseño de 20ºC para invierno y 25ºC para verano. Para las superficies no climatizadas y las casas colindantes tomaremos una temperatura media entre la temperatura exterior e interior de la vivienda. Los valores de temperatura exterior y de humedad relativa quedan definidos por dos vectores, en los que se recoge un valor por cada hora del año, haciendo que el cálculo sea los más exacto posible. Dichos valores vienen determinados por la localización del edificio. Para tener un mayor conocimiento de los valores de temperatura y de humedad relativa en el exterior se recogen dos gráficas con los valores de estos a lo largo del año en los gráficos 1 y 2. Gráfico 1:Temperatura exterior en grados centígrados cada hora del año Gráfico 2: Humedad relativa en tanto por ciento cada hora del año Cargar Térmicas 18 3.5 Cargas térmicas en período de calefacción Las cargas térmicas que se tendrán en cuenta en el período de calefacción serán las de transmisión, las cargas térmicas debidas a ventilación y las infiltraciones y se considerarán las cargas debidas a la radiación, como una ganancia para paliar el consumo de energía. Se irán desgranando una a una para facilitar tanto el análisis como la compresión de los cálculos realizados. 3.5.1 Carga térmica por transmisión Este tipo de carga es la carga sensible, debida a la diferencia de temperaturas, en la que la pérdida de calor se origina desde el interior de la vivienda hacia el exterior debida a los cerramientos. La ecuación 17 es la que modela esta carga, 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 = 𝑈𝑐𝑒𝑟𝑟𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ∙ 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑟𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ∙(𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟) (𝐸𝑐.17) Donde: 𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛: carga por transmisión de ese cerramiento [W]. 𝑈𝑐𝑒𝑟𝑟𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜: coeficiente global de transferencia de calor [W/m2 K]. 𝐴𝑐𝑒𝑟𝑟𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜: área del cerramiento [m2]. (𝑇𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 − 𝑇𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟): diferencia de temperaturas [K]. Una a una se irá viendo las cargas de transmisión a través del muro, techo, suelo, ventanas y puertas. La diferencia son el área y los coeficientes globales de transferencia. De momento este estudio es sólo para el periodo de calefacción, por tanto, los valores correspondientes al período de refrigeración son cero. Los gráficos (3), (4), (5) y (6) muestran respectivamente la carga térmica de transmisión en el muro, techo, puertas y ventanas. Como el garaje no es necesario climatizarlo, no se tendrán que usar los datos de la puerta de este. Solo serán relevantes los otros tipos de puertas de las que anteriormente se había calculado su coeficiente global de transferencia de calor. 19 Gráfico 3: Carga térmica en el muro en el período de calefacción. Gráfico 4: Carga térmica en el techo en el período de calefacción. Cargar Térmicas 26 Gráfico 13: Radiación directa diaria a lo largo del año. Otro componente de la radiación solar es la radiación reflejada (gráfico 14), que se obtiene de multiplicar la radiación global por un factor constante 𝜌 llamado reflectancia que toma un valor de 0,2. Gráfico 14: Radiación reflejada diaria a lo largo del año. La radiación total queda definida por la siguiente ecuación. 𝐼𝑇= 𝐼𝑏 𝑅 𝑏 +𝐼𝑑(1+cos𝛽 2) +𝐼𝑟 (1−cos𝛽 2) (𝐸𝑐.23) Donde: 𝐼𝑇: Radiación total por metro cuadrado [W/m2]. 𝐼𝑏: Radiación directa por metro cuadrado [W/m2]. 27 𝐼𝑑: Radiación difusa por metro cuadrado [W/m2]. 𝑅 𝑏: Factor geométrico que depende de la orientación. 𝛽: Ángulo de la pared con el suelo. Para las distintas orientaciones de las superficies se calculará la cantidad de radiación solar total que realmente reciben las superficies. Para la orientación sur se usará una correlación geométrica con la que se obtendrá dicha radiación. Para la orientación del norte no hará falta aplicar ningún factor ya que la radiación incidente es la suma de la radiación directa más la radiación reflejada debido a que el sol nunca incidirá directamente sobre esta superficie de la vivienda (gráfico 15). Gráfico 15: Carga térmica por radiación orientación Norte. El factor geométrico que depende de la orientación sur y se calcula de la siguiente forma: 𝑅𝑏𝑠𝑢𝑟 = 𝑐𝑜𝑠(𝜙−𝛽)∙𝑐𝑜𝑠(𝛿)∙𝑐𝑜𝑠(𝜔)+𝑠𝑖𝑛(𝜙−𝛽)∙𝑠𝑖𝑛(𝛿) 𝑐𝑜𝑠(𝜙)∙𝑐𝑜𝑠(𝛿)∙𝑐𝑜𝑠(𝜔)+𝑠𝑖𝑛(𝜙)∙𝑠𝑖𝑛(𝛿) (𝐸𝑐.24) 𝐼𝑠𝑢𝑟 = (𝐼𝑏 −𝐼𝑑) 𝑅 𝑏𝑠𝑢𝑟 +𝐼𝑑(1+𝑐𝑜𝑠𝛽 2) +𝐼𝑟 (1−𝑐𝑜𝑠𝛽 2) (𝐸𝑐.25) Donde: 𝜙: Latitud de nuestra zona. 𝛿: Ángulo de declinación solar. Depende del día del año n. Se define como el ángulo formado por el plano ecuatorial terrestre y la línea Sol-Tierra y se calcula como: 𝛿 = 23,45 ∙ 𝑠𝑖𝑛(360 ∙284 + 𝑛 365 ) (𝐸𝑐.26) 𝜔: Ángulo horario. Depende de la hora del día y se calcula de la siguiente forma: 𝜔 = −180 + 15 ∙ ℎ (𝐸𝑐.27) Una vez calculado el factor geométrico para cada hora del año, se calcula el factor de corrección de las Cargar Térmicas 28 ventanas, siguiente la fórmula: 𝐹𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐹𝑠 ∙[(1−𝐹𝑀)∙𝑔𝑝 + 𝐹𝑀 ∙0.04∙𝑈𝑚𝑎𝑟𝑐𝑜 ∙𝛼] (𝐸𝑐.28) Donde: 𝐹𝑠: Factor de sombra. Varía según el tipo de ventana. FM: Fracción de hueco ocupada por el marco. 𝑔𝑝: Factor solar de la parte semitransparente. 𝑈𝑚𝑎𝑟𝑐𝑜: Coeficiente global de transferencia de calor del marco. 𝛼: Absortividad el marco. El factor sombra varía según el tipo de ventana, y en la vivienda de estudio hay tres tipos de ventanas con diferente factor sombra. Para calcular el factor de sombra de las ventanas se usan las dimensiones de su marco y se saca de la siguiente figura. Figura 11: Factor de sombra para obstáculos de fachada: Retranqueo. [4] La absortividad del marco es 0,9, el factor solar de la parte semitransparente, que son los mismos vidrios para todas las ventanas es de 0,8 y la tabla 19 indica los diferentes tipos de ventana y su fracción de hueco ocupada por el marco. Tipo Número FM 1 1 0,082 2 1 0,090 3 2 0,170 Tabla 18: Características de los diferentes tipos de ventanas. Con todos los datos anteriores ya se está en disposición de calcular las cargas térmicas a través de la expresión: 𝑄𝑟𝑎𝑑 = 𝐹𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 ∙𝐴𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑛𝑎 ∙𝐼𝑜𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (𝐸𝑐.29) 29 Gráfico 16: Carga térmica por radiación orientación Sur. La carga de radiación en el período de refrigeración es la siguiente: Gráfico 17: Carga térmica por radiación en período de calefacción. Al considerar como una ganancia la radiación en este período, el sistema de climatización puede reducir su consumo 2,545 megavatios, que es un dato significativo al obtener el consumo global que se comprobará posteriormente. Con el estudio de las cargas térmicas de ventilación, infiltración, transmisión y de radiación se completa el estudio de cargas térmicas en período de calefacción. La suma de los tres primeros aportes de calor y restando la ganancia que supone la radiación, se obtiene como resultado la carga térmica total en este período. La carga térmica total en período de calefacción se muestra en el gráfico 18. Cargar Térmicas 30 Gráfico 18: Carga térmica total en período de calefacción. Finalmente, de los datos del gráfico se puede sacar que la máxima potencia que demanda la casa para la calefacción son 10,47 kW y se puede observar su evolución anual. Por tanto, para que se pueda completar la calefacción de la vivienda, el sistema de calefacción deberá ser capaz de aportar esa cantidad de calor como mínimo, ya que hay uno o varios días al año que se produce esa demanda, y el sistema de calefacción debe ser capaz de acondicionar el ambiente en estas condiciones. En las horas cuando la carga térmica se pone negativa es debido a la carga por radiación, ya que los rayos inciden sobre la vivienda y no sería necesario consumir energía para mantener el confort en la vivienda. 3.6 Carga térmica en el período de refrigeración Siguiendo la práctica marcada por el Código Técnico de la Edificación en el período de refrigeración la temperatura interior que se utilizará será 25ºC, además siguiendo las mismas pautas la humedad relativa para este período se tomará igual que en el período de calefacción, 50%. En el período de refrigeración no sólo se tendrán en cuenta los aportes de calor por transmisión, ventilación e infiltraciones, además de estas tres cargas térmicas, se tendrán en cuenta la carga térmica por radiación y la denominada carga interna, derivada del uso del edificio. 3.6.1 Carga térmica por transmisión Al igual que en el período de calefacción será de significativa importancia este calor a la hora de determinar la carga térmica total en el período de refrigeración. La única diferencia apreciable en el caso de la carga de transmisión es que en el período de refrigeración la diferencia de temperaturas cambia, ya que la temperatura exterior será superior en la mayoría del tiempo a la temperatura interior de confort estipulada. Por tanto, la ecuación que se utilizará para el cálculo de la carga térmica de transmisión será la ecuación 17, pero en este caso a la temperatura exterior se le restará la temperatura interior. El gráfico 12 y el gráfico 13 muestran la evolución de la carga térmica debida a la transmisión en el muro y en el techo respectivamente. 31 Gráfico 19: Carga térmica de transmisión en el muro en el período de refrigeración. Gráfico 20: Carga térmica de transmisión en el techo en período de refrigeración. Para la carga térmica en el período de refrigeración no se tendrá en cuenta la transmisión en el suelo ya que la temperatura del suelo será menor que la temperatura interior de la vivienda, por lo que será una ganancia y no será necesario tenerlo en cuenta. Las cargas térmicas de transmisión de las ventanas y puertas se pueden observar en los siguientes gráficos 14 y 15. Cargar Térmicas 32 Gráfico 21: Carga térmica de transmisión en las ventanas en el período de refrigeración. Gráfico 22: Carga térmica de transmisión en las puertas en el período de refrigeración. Del mismo modo que en el período de calefacción, la suma de todas estas cargas por transmisión dará la carga total de transmisión que es la que muestra el gráfico 16. 33 Gráfico 23: Carga térmica de transmisión en el período de refrigeración. 3.6.2 Carga térmica por intercambio de aire • Carga térmica de ventilación. Utilizando las ecuaciones 21 y 22, y los mismos datos de la figura 10 con los que se obtenía el caudal de ventilación en el período de calefacción y usando la humedad relativa del 50 % en este período para el calor latente se obtendría la carga térmica de ventilación, cuya evolución a lo largo del período de refrigeración se muestra en el gráfico 17. Gráfico 24: Carga térmica de ventilación en el período de refrigeración. Cargar Térmicas 34 • Carga térmica por infiltraciones. En la carga térmica por infiltraciones en el período de refrigeración se siguen las mismas pautas que en el período de calefacción. En el siguiente gráfico 18 se observa la carga sensible y latente de carga por infiltraciones. Gráfico 25: Carga térmica de infiltraciones en el período de refrigeración. Finalmente, la carga total en el intercambio de aire en el período de refrigeración se muestra en el gráfico 19. Gráfico 26: Carga térmica por intercambio de aire en período de refrigeración. 35 3.6.3 Carga térmica interna Se denomina carga interna a las cantidades de calor latente y sensible que se producen en el interior de las estancias acondicionadas emitidas por las personas, la iluminación y los aparatos eléctricos. • Cargas debidas a las personas: Para esta vivienda se considera que el número de personas que conviven en ella es de nueve. Como los habitantes de la vivienda no van a estar en ella las 24 horas del día, se define un factor de simultaneidad. Se estima que este factor de simultaneidad es del 75%. Los valores que se emplean para la ganancia debida a las personas son 60 W de calor sensible y 70 de calor latente. Las ecuaciones 23 y 24 se emplean para el cálculo de esta carga térmica. Su valor es constante a lo largo de todo el período de estudio. 𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 ∙𝑁𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 ∙𝐹𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑒𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝐸𝑐.30) 𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒 ∙𝑁𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠 ∙𝐹𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑒𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝐸𝑐.31) Donde: 𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒: calor de ocupación sensible [W]. 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒: calor sensible [W]. 𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒: calor de ocupación latente [W]. 𝑄𝑙𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒: calor latente [W]. 𝑁𝑝𝑒𝑟𝑠𝑜𝑛𝑎𝑠: número de personas. 𝐹𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑒𝑖𝑑𝑎𝑑: factor de simultaneidad. La carga obtenida debida a las personas es 𝑄𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛=877,5 W. • Cargas debidas a la iluminación: El alumbrado constituye una fuente de calor sensible. Este calor se emite por radiación, convección y conducción. Se ha estimado la iluminación dependiendo de la superficie y el tipo de zona que iluminen, de esta forma en las zonas comunes se impondrán 10 W/m2 y para el resto de las zonas 20 W/m2. El calor aportado es igual a la potencia eléctrica de la lámpara. Además, se ha introducido un factor de uso de la iluminación, que no está encendida durante las 24 horas, reduciendo su uso en un 50%. La ecuación para el cálculo de esta ganancia térmica se expresa en la ecuación 25. 𝑄𝑎𝑙𝑢𝑚𝑏𝑟𝑎𝑑𝑜 = 𝑓∙𝐼𝑧𝑐 ∙ 𝐴𝑧𝑐 +𝑓∙𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑜 ∙𝐴𝑟𝑒𝑠𝑡𝑜 (𝐸𝑐.32) Donde: 𝑓: factor de uso de iluminación. 𝐼𝑧𝑐: vatios de calor por metro cuadrado en zonas comunes. 𝐴𝑧𝑐: área zonas comunes. 𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑜: vatios de calor por metro cuadrado del resto de zonas. Estudio de sensibilidad de parámetros interiores de la vivienda 42 Gráfico 32: Coeficiente global de transferencia de calor del muro 3 frente al espesor del aislante. Gráfico 33: Coeficiente global de transferencia de calor del techo 1 frente al espesor del aislante. 43 Gráfico 34: Coeficiente global de transferencia de calor del techo 2 frente al espesor del aislante. Gráfico 35: Coeficiente global de transferencia de calor del suelo frente al espesor del aislante. Se puede ver que es obvio que cuanto mayor sea el espesor del aislante menor será el coeficiente global de transferencia de calor de muro, techo y suelo, por lo tanto, esto significa ahorro de energía en el consumo de la vivienda, que se podrá ver en el posterior caso de estudio. La línea discontinua roja, marca el mínimo espesor del aislante que debe tener esta vivienda para cumplir con el Código Técnico de la Edificación. Si se pusiese un valor menor, el coeficiente global de transferencia de calor estaría fuera de los límites que marca el CTE. 4.2.2 Caso 2: Energía consumida En este segundo caso, tras el cálculo de los diferentes coeficientes de transferencia de calor, se ha calculado como varía la energía consumida en el período de calefacción y en el período de refrigeración, al haber variado el espesor del aislante de las distintas superficies Estudio de sensibilidad de parámetros interiores de la vivienda 44 Gráfico 36: Energía consumida en los períodos de calefacción y refrigeración frente al espesor del aislante. Del gráfico 35 se puede observar como la tendencia de ambas curvas de disminuir al aumentar el espesor de aislante. Lógicamente al aumentar el espesor del aislante, se necesitaría menos energía de calefacción, de ahí que su curva tenga una pendiente más pronunciada. No obstante, se observa que la curva de refrigeración tiende a mantenerse y tiene menor pendiente, ya que en verano al tener un espesor del aislante mayor evita que la vivienda tenga la temperatura deseada, ya que la transferencia de calor al exterior sería más complicada y se necesitaría consumir energía para refrigerar la vivienda. Por tanto, se busca obtener un equilibrio entre el aislante y la energía consumida, según la zona climática donde se halle la vivienda. El espesor es un parámetro muy importante en el diseño de la vivienda, ya que, sin un adecuado espesor, la carga térmica será mayor o menor en función de dicho espesor. 4.3 Estudio de la temperatura interna de la vivienda Otro de los parámetros digno de estudio es la temperatura interna de la vivienda durante los períodos de calefacción y refrigeración. Los valores de temperatura interior los fija el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE), que se muestra en la tabla 16, vista anteriormente. Ahora bien, lo que se plantea es ir aumentando grado a grado desde los 20ºC hasta los 30ºC en ambos períodos y ver como varia la energía consumida tanto en calefacción como en refrigeración. 45 Gráfico 37: Energía anual consumida en el período de calefacción frente la variación de temperatura interior. En el gráfico 36 se observa cómo va aumentando el consumo de energía en el período de calefacción cuando aumenta la temperatura que hay en el interior de la vivienda. Obviamente, tenía que aumentar la energía ya que se quiere conseguir una temperatura alta en el interior mientras que en el exterior hace una temperatura menor. Se ha cogido como temperatura de referencia 23ºC para ver qué porcentaje de energía aumenta y disminuye al variar la temperatura. Como resultado se obtiene que al aumentar un grado la energía aumenta un 11,3 % y al disminuir un grado la energía disminuye un 11,3 %. Gráfico 38: Energía anual consumida en el período de refrigeración frente la variación de temperatura interior. En el gráfico 37 se tiene obtiene la forma inversa del gráfico anterior, pues al ir aumentando la temperatura irá disminuyendo la energía consumida en el período de refrigeración. La temperatura exterior es mayor que la interior y aumentar la temperatura interior se consigue dejando de utilizar la instalación de refrigeración, por lo tanto, el consumo de energía baja. Como en el caso anterior también se ha cogido una temperatura como referencia, en este caso es 25ºC e ir variando 1ºC. Al variar se obtiene que varía un 5,3% la energía consumida, con 26ºC disminuiría y con 24ºC aumentaría. Por tanto, los valores de temperatura ideales están fijados por el RITE, ya que la temperatura interior es un parámetro muy importante en el diseño energético del edificio, pues como se observa, tanto en calefacción como en refrigeración, el aumentar o disminuir 1ºC supone una inversión en un sistema de climatización adecuado y un coste económico, lo que supondría un ahorro energético y económico. Estudio de sensibilidad de parámetros interiores de la vivienda 46 4.4 Estudio de la humedad relativa interior de la vivienda El siguiente parámetro de estudio es la humedad relativa interior de la vivienda al cual se estudiará de forma similar al anterior apartado. Como la temperatura interior, la humedad relativa también la fija el RITE tal y como viene en la tabla 16. El planteamiento que se seguirá es de ir aumentando un 2,5% la humedad relativa desde un 40% hasta un 60%, observando la variación de la energía anual consumida en la vivienda. Gráfico 39: Energía anual consumida en el período de calefacción frente la variación de la humedad relativa interior. En el gráfico 38 se observa como aumentando la humedad relativa interior de la vivienda, aumentará la energía anual consumida en la vivienda, en el período de calefacción. Tomando como ejemplo las temperaturas, también se ha cogido una humedad relativa de referencia, que es 50% y se ha aumentado y disminuido 2,5% la humedad relativa para comprobar que porcentaje en el consumo varía. En este caso varía un 3% cada vez que se varía 2,5% la humedad relativa, lo que implica muy poco efecto de la humedad relativa sobre la energía anual consumida. 47 Gráfico 40: Energía anual consumida en el período de refrigeración frente la variación de la humedad relativa interior. En el gráfico 39 sucede lo mismo que en el gráfico 38 pero inversamente, pues si se aumenta la humedad relativa, la energía anual consumida disminuye. Como en el caso anterior se ha cogido como referencia 50% y se ha variado 2,5% la humedad, y como resultado obtenido es que por cada 2,5% la energía anual consumida varía 1%. Con esto se concluye que la variación de la humedad relativa no es un factor tan importante consumo de la energía en la vivienda, por lo que se puede observar en los gráficos, al variar la humedad relativa del 40% al 60%, dicha variación repercute poco en el consumo de energía, con respecto a los parámetros estudiados anteriormente. Aunque con respecto al confort de las personas si es un factor importante, por lo tanto, es fijado por el RITE. 4.5 Estudio del efecto de la radiación Por último, se estudiará el efecto que tiene la radiación al entrar por las ventanas. Por tanto, el parámetro que se estudiará será el factor sombra frente a la energía anual consumida. Para este apartado solo se tendrá en cuenta el período de refrigeración. Se va a variar el factor sombra de la ventana desde 0 hasta 1. Cuando su valor es 0 significa que hay sombra en la totalidad de la ventana pues la persiana está bajada, y cuando el factor sombra valga 1 significa que no hay sombra sobre la ventana, la persiana está subida completamente. Estudio de sensibilidad de parámetros interiores de la vivienda 48 Gráfico 41: Energía anual consumida en el período de refrigeración frente la variación del factor sombra. En el gráfico 40, se puede ver cómo afecta que haya sombra o no en las ventanas de la vivienda. Pues al aumentar el factor sombra va aumentando la energía anual consumida, es decir, la instalación de climatización debe hacer frente a dicha carga térmica que entra por la ventana. Esto supone una carga térmica de 2,8 MW si el factor sombra valiera 1, lo cual sería un coste económico y una carga que deberá cubrir la instalación de climatización. Por lo tanto, se recomendaría tener unas persianas inteligentes que fueran cerrándose a la vez que la radiación incide sobre la ventana, evitando ese consumo energético. 49 5 COMPARACIÓN ENTRE CLIMAS OPUESTOS 5.1 Introducción Para finalizar este estudio que se ha llevado a cabo, se realizará una comparación de dos ciudades en distintas zonas climáticas de España, como son Sevilla y Burgos. Dicha comparación consistirá en utilizar la misma vivienda, sujeto de estudios de este proyecto, y comparar el consumo de energía si esta vivienda estuviera construida en ambas ciudades. Se dispone de todos los datos constructivos de la vivienda y sólo se modificarán los datos meteorológicos de cada zona climática. Dichos datos se han obtenido de la página web del Código Técnico de la Edificación. 5.2 Comparación Estas dos ciudades son bastante distintas a lo que clima se refiere, pues Sevilla se encuentra al Sur de la península y Burgos se encuentra al norte. Por esta localización geográfica Sevilla tiene un clima más cálido donde los inviernos son suaves y los veranos son muy cálidos. En cambio, Burgos tiene unos veranos más suaves y unos inviernos muy largos y fríos. La temperatura máxima que puede llegar Sevilla es en torno a 40 o 45 grados en verano y en invierno como mínima temperatura 10 o 15 grados. Por otro lado, en Burgos, la máxima temperatura puede estar entre los 27 y 30 grados, y en inviernos la temperatura mínima puede ser de -1 grado. La radiación solar que reciben cada una de estas localizaciones es también muy diferente, pues Sevilla recibe mucha más radiación ya que es un clima más despejado y tiene más horas de sol. En cambio, en Burgos la radiación es menor pues tiende a ser un clima donde tiene más días nublados. Tras realizar una simulación anual con los datos obtenido de cada una de las zonas climáticas, se han obtenido los siguientes resultados: Sevilla Burgos Carga térmica de calefacción máxima 8,410 kW 12,636 kW Carga térmica de refrigeración máxima 12,156 kW 8,947 kW Energía anual de calefacción 14,701 MW 34,267 MW Energía anual de refrigeración 20,479 MW 15,049 MW Energía total consumida 35,180 MW 49,316 MW Tabla 21: Resultados de simulación anual Como se puede comprobar en la tabla 21, los resultados son bastante distintos pues en Sevilla se consumirá más Comparación entre climas opuestos 50 energía de refrigeración y en Burgos más energía de calefacción. Hay que tener en cuenta que la composición estructural de la vivienda está hecha para un clima más cálido, por lo que si dicha vivienda estuviera construida en Burgos no estaría lo suficientemente aislada para soportar las temperaturas tan bajas, entonces los resultados salen que el consumo de energía de calefacción es muy alto. Para una mayor visualización de las diferencias entre ambas ciudades, se puede comprobar en los siguientes gráficos: Gráfico 42: Carga térmica total anual en Sevilla. Gráfico 43: Carga térmica total anual en Burgos. Se puede ver que en el gráfico 41 la zona más pronunciada es la señalada en azul que se refiere a la carga térmica de refrigeración y en el gráfico 42 sucede inversamente, la zona en rojo es la más pronunciada. Como resultado a esta comparación, queda claro las diferencias entre los distintos climas. Es importante 51 aclimatar la vivienda según la zona climática en la que se construya para que se puedan conseguir las mejores condiciones de confort dentro de la vivienda. Lo que conlleva a un buen consumo de su sistema de climatización y un ahorro energético y económico. Anexos 58 e34=e32;k34=k32; % Vidrio U_ventanas=1/(Rsem+(e32/k32)+(e33/k33)+(e34/k34)+Rsim); %U_PUERTAS e35=0.075;k35=0.163; % Madera de pino e36=0.07;k36=160; % Aluminio e37=0.002;k37=17; % Acero inoxidable Req=((1/(e36/k36)+(e33/k33)+(e36/k36))+(1/(e32/k32)+(e33/k33)+(e34/k34)))^-1; % puerta patio y terraza U_puerta2=1/(Rsem+(e35/k35)+Rsim); U_puertas1=1/(Rsem+Req+Rsim); U_puerta3=1/(Rsem+(e37/k37)+Rsim); 8.1.4 Calefacción % Carga Muro AU_muro1ext=U_muro1*A_muro1ext; AU_muro1colin=U_muro1*A_muro1colin; AU_muro2colin=U_muro2*A_muro2colin; AU_muro2supNo=U_muro2*A_muro2supNo; AU_muro3=U_muro3*A_muro3; 59 % Carga Muro 1 % Exterior for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_muro1ext(i) = U_muro1*A_muro1ext*(T_inv-T_dry(i)); if Q_muro1ext(i) < 0 Q_muro1ext (i) = 0; end else Q_muro1ext (i) = 0; end end % Casa Colindante for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver T_colin(i)=(T_dry(i)+T_inv)/2; Q_muro1colin(i) = U_muro1*A_muro1colin*(T_inv-T_colin(i)); if Q_muro1colin(i) < 0 Q_muro1colin (i) = 0; end else Anexos 60 Q_muro1colin (i) = 0; end end % Carga Muro 2 % Casa Colindante for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver T_colin(i)=(T_dry(i)+T_inv)/2; Q_muro2colin(i) = U_muro2*A_muro2colin*(T_inv-T_colin(i)); if Q_muro2colin(i) < 0 Q_muro2colin (i) = 0; end else Q_muro2colin (i) = 0; end end % Superficie No Climatizada for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver T_supNo(i)=(T_dry(i)+T_inv)/2; 61 Q_muro2supNo(i) = U_muro2*A_muro2supNo*(T_inv-T_supNo(i)); if Q_muro2supNo(i) < 0 Q_muro2supNo (i) = 0; end else Q_muro2supNo(i) = 0; end end % Carga Muro 3 for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_muro3(i) = U_muro3*A_muro3*(T_inv-T_dry(i)); if Q_muro3(i) < 0 Q_muro3 (i) = 0; end else Q_muro3 (i) = 0; end end Q_muro=Q_muro1ext+Q_muro1colin+Q_muro2colin+Q_muro2supNo+Q_muro3; Anexos 62 muro=0; for i=1:1:8760 muro=muro+Q_muro(i); end figure (1); plot (Q_muro,'r'); grid on; title ('CARGA TRANSMISIÓN EN EL MURO (CALEFACCIÓN)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on % Carta Techo AU_techo1=U_techo1*A_techo1; AU_techo2ext=U_techo2*A_techo2ext; AU_techosupNo=U_techo2*A_techo2supNo; % Techo 1 for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_techo1(i) = U_techo1*A_techo1*(T_inv-T_dry(i)); 63 if Q_techo1(i) < 0 Q_techo1 (i) = 0; end else Q_techo1 (i) = 0; end end % Techo 2 % Exterior for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_techo2ext(i) = U_techo2*A_techo2ext*(T_inv-T_dry(i)); if Q_techo2ext(i) < 0 Q_techo2ext (i) = 0; end else Q_techo2ext (i) = 0; end end % Superficio No Climatizada Anexos 64 for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver T_supNo(i)=(T_dry(i)+T_inv)/2; Q_techo2supNo(i) = U_techo2*A_techo2supNo*(T_inv-T_supNo(i)); if Q_techo2supNo(i) < 0 Q_techo2supNo (i) = 0; end else Q_techo2supNo (i) = 0; end end Q_techo=Q_techo1+Q_techo2ext+Q_techo2supNo; figure (2); plot (Q_techo,'r'); grid on; title ('CARGA TRANSMISIÓN EN EL TECHO (CALEFACCIÓN)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on 65 % Carga Suelo AU_suelo=U_suelo*A_suelo; for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_suelo(i)=U_suelo*A_suelo*(T_inv-T_sueloinv); if Q_suelo(i) < 0 Q_suelo (i) = 0; end else Q_suelo (i) = 0; end end % Casga Ventanas AU_ventanas=U_ventanas*A_ventanas; for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_ventanas(i) = U_ventanas*A_ventanas*(T_inv-T_dry(i)); if Q_ventanas(i) < 0 Q_ventanas (i) = 0; end Anexos 66 else Q_ventanas (i) = 0; end end figure (3); plot (Q_ventanas,'r'); grid on; title ('CARGA TRANSMISIÓN EN VENTANAS (CALEFACCIÓN)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on %Carga Puertas AU_puertas1=U_puertas1*A_puertas1; AU_puertas2=U_puerta2*A_puerta2; % Puerta 1 for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_puertas1(i) = U_puertas1*A_puertas1*(T_inv-T_dry(i)); 67 if Q_puertas1(i) < 0 Q_puertas1 (i) = 0; end else Q_puertas1 (i) = 0; end end % Puerta 2 for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_puerta2(i) = U_puerta2*A_puerta2*(T_inv-T_dry(i)); if Q_puerta2(i) < 0 Q_puerta2 (i) = 0; end else Q_puerta2 (i) = 0; end end Q_puertas=Q_puertas1+Q_puerta2; figure (4); Anexos 74 F_s2=0.67; F_s3=0.74; FM1=0.082; FM2=0.09; FM3=0.170; g_p=0.8; U_m=2.1; alpha_m=0.9; F_correccion1=F_s1*((1-FM1)*g_p+FM1*0.04*U_m*alpha_m); F_correccion2=F_s2*((1-FM2)*g_p+FM2*0.04*U_m*alpha_m); F_correccion3=F_s2*((1-FM3)*g_p+FM3*0.04*U_m*alpha_m); A1=1.44; A2=1.944; A3=5.568; % Cálculo Rb SUR for i=1:1:8760 n(i)=floor (i/24) + 1; %Cociente h(i)=rem(i,24); % resto delta(i)=23.45*sin(360*(284+n(i))/365*deg)*deg; omega(i)=(-180+15*h(i))*deg; alpha(i)=asin(sin(phi)*sin(delta(i)) + cos(phi)*cos(delta(i))*cos(omega(i))); omega_s(i)=- acos(-tan(phi)*tan(delta(i))); omega_h(i)=-omega_s(i); 75 R_b(i)=(cos(phi-beta)*cos(delta(i))*cos(omega(i))+sin(phibeta)*sin(delta(i)))/(cos(phi)*cos(delta(i))*cos(omega(i))+sin(phi)*sin(delta(i))); if (omega(i) - 1)< omega_s(i) || (omega(i) + 1)> omega_h(i) R_b(i)=0; end end for i=1:1:8760 I_T(i)=Rad_directa(i)*R_b(i)+Rad_difusa(i)*((1+cos(beta))/2)+Rad_reflejada(i)*((1- cos(beta))/2); Q_rad1(i)=F_correccion1*A1*I_T(i); Q_rad2(i)=F_correccion2*A2*I_T(i); Q_rad3(i)=F_correccion3*A3*I_T(i); end Q_RadSUR=Q_rad1+Q_rad2+Q_rad3; figure (10) plot(Q_RadSUR,'r'); grid on; title ('CARGA TÉRMICA RADIACIÓN SUR') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Radiación Solar [W]'); legend('Carga térmica'); Anexos 76 hold on for i=1:1:8760 if i<ini_ver || i>fin_ver Q_radiacionC(i)=Q_RadSUR(i)+Q_RadNORTE(i); if Q_radiacionC(i) < 0 Q_radiacionC (i) = 0; end else Q_radiacionC (i) = 0; end end figure (11) plot(Q_radiacionC,'r'); grid on; title ('CARGA TÉRMICA RADIACIÓN (Calefacción)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Radiación Solar [W]'); legend('Carga térmica'); hold on E_RadiacionC=0; for i=1:1:8760 E_RadiacionC=E_RadiacionC+Q_radiacionC(i); 77 end % Calefacción total Q_calefaccion=Q_transmision+Q_interc-Q_radiacionC; figure (12); plot (Q_calefaccion,'r'); grid on; title ('CARGA TOTAL DE CALEFACCIÓN'); xlabel ('Hora del año'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on 8.1.5 Refrigeración % Cálculo de Carga por Transmisión % Carga Muro % Muro 1 % Exterior Anexos 78 for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Q_muro1extR(i) = U_muro1*A_muro1ext*(T_dry(i)-T_ver); if Q_muro1extR(i) < 0 Q_muro1extR (i) = 0; end else Q_muro1extR (i) = 0; end end % Casa Colindante for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver T_colinR(i)=(T_dry(i)+T_ver)/2; Q_muro1colinR(i) = U_muro1*A_muro1colin*(T_colinR(i)-T_ver); if Q_muro1colinR(i) < 0 Q_muro1colinR (i) = 0; end else Q_muro1colinR (i) = 0; end end 79 % Muro 2 % Casa Colindante for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver T_colinR(i)=(T_dry(i)+T_ver)/2; Q_muro2colinR(i) = U_muro2*A_muro2colin*(T_colinR(i)-T_ver); if Q_muro2colinR(i) < 0 Q_muro2colinR (i) = 0; end else Q_muro2colinR (i) = 0; end end % Superficie No Climatizada for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver T_supNoR(i)=(T_dry(i)+T_ver)/2; Q_muro2supNoR(i) = U_muro2*A_muro2supNo*(T_supNoR(i)-T_ver); if Q_muro2supNoR(i) < 0 Q_muro2supNoR (i) = 0; Anexos 80 end else Q_muro2supNoR(i) = 0; end end % Muro 3 for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Q_muro3R(i) = U_muro3*A_muro3*(T_dry(i)-T_ver); if Q_muro3R(i) < 0 Q_muro3R (i) = 0; end else Q_muro3R (i) = 0; end end % Casrga Muro Q_muroR=Q_muro1extR+Q_muro1colinR+Q_muro2colinR+Q_muro2supNoR+Q_muro3R; figure (13); plot (Q_muroR,'b'); 81 grid on; title ('CARGA TRANSMISIÓN EN EL MURO (REFRIGERACIÓN)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on % Carga Techo % Techo 1 for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Q_techo1R(i) = U_techo1*A_techo1*(T_dry(i)-T_ver); if Q_techo1R(i) < 0 Q_techo1R (i) = 0; end else Q_techo1R (i) = 0; end end % Techo 2 % Exterior Anexos 82 for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Q_techo2extR(i) = U_techo2*A_techo2ext*(T_dry(i)-T_ver); if Q_techo2extR(i) < 0 Q_techo2extR (i) = 0; end else Q_techo2extR (i) = 0; end end % Superficio No Climatizada for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver T_supNoR(i)=(T_dry(i)+T_ver)/2; Q_techo2supNoR(i) = U_techo2*A_techo2supNo*(T_supNoR(i)-T_ver); if Q_techo2supNoR(i) < 0 Q_techo2supNoR (i) = 0; end else Q_techo2supNoR (i) = 0; end end 83 Q_techoR=Q_techo1R+Q_techo2extR+Q_techo2supNoR; figure (14); plot (Q_techoR,'b'); grid on; title ('CARGA TRANSMISIÓN EN EL TECHO (REFRIGERACIÓN)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on % Carga Ventanas for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Q_ventanasR(i) = U_ventanas*A_ventanas*(T_dry(i)-T_ver); if Q_ventanasR(i) < 0 Q_ventanasR (i) = 0; end else Q_ventanasR (i) = 0; end end Anexos 90 xlabel ('Hora del año'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on % Cálculo de Carga Interna % Cargas debidas a los Ocupantes Q_ocsen=60; %W/per Q_oclat=70; %W/per Q_ocupacion=(Q_ocsen+Q_oclat)*9*0.75; % Cargas debias a la Iluminación f=0.5; %factor de uso de iluminación I_zc=10; %W/m2 I_resto=20; %W/m2 A_zc=13.31+26+17.73+6.87+15.26; A_resto=17.3+5.4+5.6+8.64+16.84+18.78+10.68+7.5; Q_ilum=f*I_zc*A_zc+f*I_resto+A_resto; % Cargas debidas a los Equipos Eléctricos 91 Q_nevera=300;f1=(24/24); Q_tv=200;f2=(8/24); Q_vitro=1000;f3=(4/24); Q_horno=1500;f4=(4/24); Q_ord=250;f5=(12/24); Q_equipos=Q_nevera*f1*2+Q_tv*f2*4+Q_vitro*f3+Q_horno*f4+Q_ord*f5; for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Q_interna(i)=Q_ocupacion+Q_ilum+Q_equipos; if Q_interna(i) < 0 Q_interna (i) = 0; end else Q_interna (i) = 0; end end % Cálculo de Cargas Radiación for i=1:1:8760 if i>ini_ver & i<fin_ver Anexos 92 Q_radiacionR(i)=Q_RadSUR(i)+Q_RadNORTE(i); if Q_radiacionR(i) < 0 Q_radiacionR (i) = 0; end else Q_radiacionR (i) = 0; end end figure (21) plot(Q_radiacionR,'b'); grid on; title ('CARGA TÉRMICA RADIACIÓN (REFRIGERACIÓN)') xlabel ('Hora del año (hr)'); ylabel ('Radiación Solar [W]'); legend('Carga térmica'); hold on Q_refrigeracion=Q_transmisionR+Q_radiacionR+Q_interna+Q_intercR; figure (22); plot (Q_refrigeracion,'b'); grid on; axis([0 8760 2782 12000]); 93 title ('CARGA TÉRMICA TOTAL REFRIGERACIÓN') xlabel ('Hora del año'); ylabel ('Carga térmica [W]'); legend('Carga térmica'); hold on; figure (23); plot (Q_refrigeracion,'b'); hold on plot (Q_calefaccion,'r'); grid on; %axis([0 8760 2782 12000]); title ('CARGA TÉRMICA TOTAL ANUAL') xlabel ('Hora del año'); ylabel ('Carga térmica [W]'); E_calefaccion=0; for i=1:1:8760 E_calefaccion=E_calefaccion+Q_calefaccion(i); End E_refrigeracion=0; for i=1:1:8760 E_refrigeracion=E_refrigeracion+Q_refrigeracion(i); Anexos 94 end Eref=E_refrigeracion Ecal=E_calefaccion E_total=E_calefaccion+E_refrigeracion MAX_CAL=max(max(Q_calefaccion)) MAX_REF=max(max(Q_refrigeracion)) E_RadC=E_RadiacionC