Desarrollo de una práctica de eficiencia energética en Arquitectura mediante simulación numérica

388 Conference Proceedings Desarrollo de una práctica de eficiencia energética en Arquitectura mediante simulación numérica Carlos Antonio Dominguez Torres1, Antonio Domínguez Delgado2 1Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla. Universidad de Sevilla, Sevilla, España 2Departamento de Matemática Aplicada I. Universidad de Sevilla, Sevilla, España Resumen En este trabajo se presenta el desarrollo de una práctica de eficiencia energética en Arquitectura efectuada mediante técnicas de simulación numérica. El objetivo de la práctica es doble: por un lado concienciar al alumnado de la necesidad de implementar medidas de eficiencia energética conducentes a reducir el consumo energético necesario para conseguir condiciones de habilitad adecuadas en las viviendas y por otro lado, introducir al alumnado en el manejo de técnicas de simulación numérica cada día más usadas en el ámbito técnico, y específicamente en Arquitectura, tanto en la fase de diseño previo de un proyecto arquitectónico nuevo como de la implementación de medidas de rehabilitación sobre viviendas ya construidas, con el objetivo de reducir el consumo energético de los edificios y por ende, contribuir a la reducción de la pobreza energética y del impacto ambiental y climático del consumo de energía en el parque de viviendas. Palabras clave: Eficiencia energética, pobreza energética, simulación numérica, confort térmico, concienciación en sostenibilidad. Development of an energy efficiency practice in Architecture through numerical simulation Abstract This work presents the development of an energy efficiency practice in Architecture carried out using numerical simulation techniques. The objective of the practice is twofold: on the one hand, to make students aware of the need to implement energy efficiency measures that reduce the energy consumption necessary to achieve adequate conditions in the homes and, on the other hand, to introduce students to management of numerical simulation techniques increasingly used in the technical field, and specifically in Architecture, both in the preliminary design phase of a new architectural project and in the implementation of rehabilitation measures on already built homes, with the aim of reducing the energy consumption of buildings and therefore contribute to the reduction of energy poverty and the environmental and climatic impact of energy consumption in the housing stock. Keywords Energy efficiency, energy poverty, numerical simulation, thermal comfort, sustainability awareness. 389 Conference Proceedings Introducción La concienciación del alumnado de los grados de Arquitectura e Ingeniería de la Edificación en particular, y del ámbito universitario en general, sobre la necesidad de fomentar el uso de técnicas y procesos eficientes desde el punto de vista energético es un imperativo que viene tanto desde el ámbito regulatorio, pautas establecidas por la Unión Europea (2014) para el Horizonte 2030 (H2030), “Objetivo de desarrollo sostenible 7 (ODS 7)” pro movido por la ONU, etc., como desde el ámbito social ante el aumento continuo de los precios de la energía y las implicaciones que ello conlleva en cuánto a pobreza energética y problemas de salud relacionados con el estrés térmico y las situaciones de inconfort en el interior de las viviendas. Por otro lado, hoy en día, las herramientas informáticas de que se dispone, tanto en software como hardware, hacen asequibles de forma generalizada el uso de herramientas de simulación que permiten el análisis del comportamiento energético de los edificios de forma precisa. Con el objetivo de introducir al alumnado en el uso de estas herramientas de simulación y las ventajas que tienen su uso para el diseño de edificios con bajo coste energético, la práctica que se presenta analiza mediante la simulación numérica el efecto sobre el comportamiento energético de la envolvente de un edificio de la aplicación de medidas de rehabilitación energética a viviendas ineficientes desde el punto de vista energético. Con ello, además de mostrar al alumno el potencial de este tipo de herramientas se pretende obtener conclusiones sobre el ahorro energético que implica la introducción de medidas de rehabilitación energética adecuadas y concienciar al alumno participante de los efectos positivos medioambientales y sociales de un correcto tratamien- to energético de la envolvente de los edificios. Metodología La realización de esta práctica se base en el trabajo práctico realizado en la asignatura de Métodos Numéricos para el Cálculo y el Diseño en Arquitectura de quinto curso del grado de Fundamentos de Arquitectura de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla. En las cuatro primeras semanas de desarrollo de la asignatura, se introduce a los alumnos en el manejo del software de simulación FreeFem++ (Auliac, Le Hyaric, Morice, Hecht, Ohtsuka, Pironneau, 2017). Este software es libre, está basado en el lenguaje C++ y permite la resolución de una amplia variedad de problemas basados en ecuaciones diferenciales, así como programación libre. Estas primeras semanas de aprendizaje de FreeFem++, permiten que los alumnos adquirieran las destrezas necesarias para su aplicación y manejo en el desarrollo de la práctica. El diseño de la práctica puede sintetizarse en la realización de las siguientes fases: (1) Fase de análisis inicial; (2) Fase propositiva; (3) Fase de ejecución de las simulaciones numéricas; (4) Presentación e interpretación de resultados; y (5) Elaboración de conclusiones. Seguidamente se describen las fases enumeradas. 1. Fase de análisis inicial Se propone el contenido de la práctica. De forma general el alumno debe investigar la configuración constructiva de la envolvente de la vivienda social construida en la ciudad de Sevilla a mediados del siglo pasado. Dicha vivienda se caracteriza por la ausencia de aislamiento térmicos y por no cumplir prácticamente ninguno de los requisitos actuales en cuánto a acondicionamiento térmico. Los alumnos deben ser conscientes de que dichas viviendas se construyeron antes de la promulgación en España de la primera normativa sobre la demanda energética en la vivienda, el NBECT-79 (Real Decreto 2429/1979). Aunque se propone como preferente la vivienda construida en Sevilla por facilidad de acceso a la información, se da libertad al alumnado para elegir viviendas construidas en cualquier otra ciudad del Sur de España. Asimismo, en esta fase, el alumno debe reunir información climatológica de la ciudad elegida para su empleo en la fase de simulación. Aunque nuevamente se da libertar para la elección de la fuente, se aconseja el uso de los años típicos climatológicos que suministra la herramienta Energy Plus (Engineering Reference, 2014), ya que son de acceso libre y su calidad es alta. 390 Conference Proceedings 2. Fase propositiva El alumno en base a la información reunida sobre las características de la envolvente y de su propia formación, propone una posible medida de rehabilitación energética de la vivienda elegida como caso de estudio. De dicha medida debe reunir la información necesaria para poder hacer el modelado y la simulación numérica en las fases posteriores. 3. Fase de ejecución de las simulaciones numéricas En esta fase, usando el software FreeFem++, el alumno debe calcular el flujo de calor a través del elemen- to de la envolvente elegido, usualmente el muro de la fachada, aunque también se contempla la posibilidad de elegir la cubierta, con la condición de que sea plana para evitar complicar el cálculo. Para calcular el flujo de calor, el alumno elabora un código informático en el que básicamente se resuelven las ecuaciones de conducción de calor asumiendo una simplificación bidimensional del muro. Para realizar dicha resolución, se efectúa en primer lugar un mallado del muro o cubierta, en el que se deben recoger las distintas capas que lo conforman. A continuación, se asignan las distintas propiedades termofísicas necesarias a dichas capas, fundamentalmente la difusividad térmica y grosor y se procede a la formulación del problema en términos matemáticos para su resolución mediante FreeFem++. Este proceso se lleva a cabo tanto para la fachada de la vivienda en su estado inicial como para la fachada una vez implementada la medida de rehabilitación propuesta. Las condiciones climáticas se introducen en el código como condiciones de frontera de las ecuaciones de conducción del calor. Para ilustrar el proceso y los distintos comportamientos térmicos de las fachadas, se pide a los alumnos que efectúen un cálculo como mínimo de un día de cada mes del año. De esta forma avanzan en el conocimiento de las distintas respuestas de la fachada ante distintas condiciones climáticas y extraen información sobre el rendimiento, según la época del año, de la medida de rehabilitación propuesta. 4. Presentación e interpretación de resultados Los alumnos, deben preparar gráficas explicativas de los resultados obtenidos. Entre las distintas gráficas que se deben presentar se sugiere incluir gráficas explicativas de los flujos de calor, para cada mes del año, de la fachada inicial o de referencia, y de la fachada rehabilitada. Asimismo, se sugiere presentar la información de los flujos energéticos para el año completo. El alumno debe interpretar los resultados obtenidos, ser capaz de explicar los procesos energéticos observados y determinar la efectividad de la medida de rehabilitación que propuso. A la luz de este análisis el alumno debe ser capaz de establecer la pertinencia o no de la medida propuesta y las posibles modificaciones que podría introducir para mejorar su eficiencia energética. 5. Elaboración de conclusiones En base a los resultados presentados en el apartado anterior, el alumno debe sintetizar las conclusiones de su investigación de forma razonada y clara. Se valora especialmente la capacidad de síntesis de los resultados obtenidos en el apartado anterior y la relación de dichos resultados con los objetivos de mejora de la eficiencia energética y el posible impacto que ello conllevaría sobre la reducción de la pobreza energética y de impacto sobre el medio ambiente. Conclusión La ejecución de prácticas similares a lo largo de varios cursos en la asignatura mencionada pone de manifies- to el interés que despierta en los alumnos el manejo de herramientas avanzadas, como el software de simulación energética, para la evaluación de las medidas de rehabilitación de cara a la mejora energética de la vivienda, y del impacto social y ambiental que ello conlleva. Además de lo dicho, es de resaltar la importancia que para los futuros profesionales del ámbito de la Arquitectura tiene la toma de conciencia de los efectos que la acción de rehabilitación energética sobre el parque de viviendas tiene desde múltiples perspectivas como las ya señaladas sociales, en la reducción de 391 Conference Proceedings pobre energética, ambientales, mediante la reducción del consumo energético, y en definitiva en la mejora de la calidad de vida del usuario de la vivienda rehabilitada. Referencias Auliac S., Le Hyaric A., Morice J., Hecht F., Ohtsuka K., Pironneau O. (2017). FreeFem++. Third Edition, 884 Version 3, (pp. 31-2). Recuperado de: http: www.freefem.org EnergyPlus Engineering Reference (2014). U.S. Departament of Energy. European Commission, DG Energy (2014). A policy framework for climate and energy in the period from 2020 to 2030. Norma básica de la edificación sobre Condiciones Térmicas en los edificios. NBE-CT-79; Real Decreto 2429/1979, BOE 253; 6 Julio. pp. 24524-24550.