Efecto de la inercia sobre el confort térmico en verano en un hotel pasivo: Mora d’Ebre

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

INERCIA TÉRMICA : INERCIA PASIVA

Efecto de la inercia sobre el confort térmico en verano en un hotel pasivo: Mora d’Ebre

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Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

CONTENIDO 1. La inercia térmica en edificios pasivos 2. Edificio de referencia 3. Estudio comparativo 4. Resultados 5. Conclusiones

© OLIVER STYLE

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LA INERCIA TÉRMICA: ¿qué papel tiene?

Materiales constructivos con buenas propiedades de inercia térmica, pueden actuar como un acumulador energético, almacenando y liberando energía cíclicamente, ayudando en la modulación de las temperaturas interiores bajos distintas condiciones climáticas y de ocupación Se trata de una interacción energética dinámica entre: • • • • •

las condiciones climáticas exteriores el envolvente pasivo del edificio y sus características térmicas y de inercia las instalaciones activas y su programación la ventilación (natural y/o mecánica) la actividad interna

Si la inercia acumula y descarga energía, el portador energético es clave. En contextos pasivos, el portador es el aire. Para este fin, la ventilación nocturna se encarga de extraer el calor acumulado en los cerramientos y expulsarlo fuera del edificio durante la noche.

Es lógico que no todas las zonas son aptas para la ventilación nocturna: depende de la variación de temperaturas e humedad durante el ciclo diurno en los meses de verano.

1 LA INERCIA TÉRMICA Y SU PAPEL EN EDIFICIOS PASIVOS

3

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LA INERCIA TÉRMICA: edificios pasivos en climas cálidos Literatura: mucha énfasis en el impacto de la inercia térmica en la reducción de temperaturas interiores en verano, en edificios no climatizados… ¿Pero cuál es su impacto en edificios pasivos con un buen nivel de aislamiento, estanqueidad y protección solar, en climas cálidos?

• • •

mayor aislamiento, estanqueidad y protección solar > mayor tiempo que tarda el edificio en variar su temperatura interior por efectos de la radiación, conducción y convección (cambios en el clima exterior) > mayor constante de tiempo

Un diseño cuidadoso de las materiales de un cerramiento puede optimizar la amortiguación y desfase de la onda térmica, para mejorar las condiciones de confort interior, sin climatización activa.

Analizamos un caso práctico con un estudio de simulación dinámica, de un edificio pasivo en proceso de desarrollo en un clima cálido.

1 LA INERCIA TÉRMICA Y SU PAPEL EN EDIFICIOS PASIVOS

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EDIFICIO PASIVO: Hotel al Casc Antic, Mora d’Ebre •

Arquitecta: Èlia Vaqué

•

Ubicación: C/Calvari, Mora d’Ebre, Tarragona, Catalunya

•

Coordenadas: latitud = 41,09º / longitud = 0,64º

•

ASNM: 54m

•

Radiación global horizontal: 1.686 kWh/m2.a

•

Temperatura media anual: 18,1ºC

•

Superficie de referencia energética: 309m2

•

Plantas: 4

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

5

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EMPLAZAMIENTO

Fuente: Google Earth

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

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EMPLAZAMIENTO

Fuente: E. Vaqué

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

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ALZADA OESTE

Fuente: E. Vaqué

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

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ALZADA ESTE

Fuente: E. Vaqué

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

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SECCIONES

Fuente: E. Vaqué

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

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TEMPERATURAS & RADIACIÓN SOLAR Fichero climático horario: generado desde Meteonorm 7

2 EDIFICIO DE REFERENCIA: HOTEL PASIVO MORA D’EBRE

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ESTUDIO COMPARATIVO Objetivo

•

Analizar el efecto de la inercia en los cerramientos de la envolvente térmica (paredes exteriores y cubierta) en el edificio de referencia, durante una semana típica en verano

•

El análisis se realiza con el edificio sin climatización

•

Se analizan las temperaturas operativas (To) en la planta 04

•

Se contrastan los resultados del efecto de la inercia con otras estrategias de diseño, relacionadas con la ventilación nocturna, la protección solar, y las fachadas y cubiertas ventiladas

•

Se sacan conclusiones acerca del impacto de la inercia en la envolvente térmica, en la reducción de temperaturas operativas, para edificios bien aislados y estancos en climas cálidos

•

El programa de cálculo dinámico empleado es DesignBuilder 3.0.0.105, motor de simulación EnergyPlus V. 7.2

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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ESTUDIO COMPARATIVO Zona de análisis:

•

Planta 04

•

Zona crítica para el sobrecalentamiento

Parámetros: •

Temperaturas operativas (To)

Temperatura operativa To ≈

(Ta +Tmr) 2

Fuente: E. Vaqué

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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ESTUDIO COMPARATIVO Inercia en los cerramientos

•

3 cerramientos de inercia variada, plantas 03-04 1. Caso Ligero 2. Caso Madera Optimizada 3. Caso Pesado

•

Se ajusta la inercia de la envolvente térmica exterior (muros exteriores y cubierta), con transmitancias idénticas

•

Las demás condiciones de contorno se mantienen exactamente iguales en los 3 casos

Fuente: E. Vaqué

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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CONDICIONES CLIMÁTICAS: semana típica

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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CONDICIONES DE CONTORNO Estanqueidad al paso de aire (renovaciones n50)

•

0,6/h

Aire de renovación •

0,35/h

•

Programación: 24h/día

Ventilación natural •

1,10/h [calculado con PHPP 2012: delta T = 1ºK & vel. viento = 0 m/s]

•

Programación: activada cuando temp. aire int. ≥ 22ºC & temp. aire ext. ≤ 22ºC

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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CONDICIONES DE CONTORNO Ganancias internas medias: 2,12 W/m2

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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VENTANAS & PROTECCIÓN SOLAR Cristales: triples, 4-12-4-12-4, aire, bajo-e •

U= 1,16 [EN 673]

•

g = 0,49

Carpinterías: madera [U = 1,10 W/m2.K] •

Ψ instalación = 0,04 W/m.K

•

Ψ espaciador = 0,04 W/m.K

•

U final equivalente = 1,67 W/m2.K

Protección solar •

Persianas apilables exteriores, altamente reflectivas

•

Cerradas por usuarios/domótica cuando temperatura aire interior ≥ 24ºC

•

Factor de reducción solar: 78%

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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SOMBRAS POR EDIFICIOS VECINOS Y ARBOLES (ejemplo: 22 Junio, 7am)

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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CERRAMIENTOS COMUNES: Solera Materiales [abajo > arriba]

Espesor (mm)

Grava

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

Densidad (kg/m3)

200

1,000

920

2000

80

0,038

1000

38

Hormigón FM 2300-2600

200

2,000

1000

1400

Hormigón FM 2300-2500

50

2,300

1000

1400

Micro-cemento

60

1,800

1000

1600

Aislamiento XPS

Propiedades térmicas & de inercia*

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,382

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,059

-

14,7

h

0,022

W/m2.K

63

KJ/m2.K

849

Kg/m2

Desfase temporal Φ Transmitancia térmica periódica Yie Capacidad térmica periódica interior Masa superficial

* Cálculos de inercia térmica: Davide Reggiani

3 ESTUDIO COMPARATIVO

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CERRAMIENTOS COMUNES: Forjados intermedios Materiales [abajo > arriba]

Espesor (mm)

Cartón yeso

Conductividad Calor especifico Densidad (W/m.K) (J/kg.K) (kg/m3)

15

0,210

1000

790

42,30

0,038

2100

55

15

0,130

1700

650

120

1,470

1050

1450

OSB

15

0,130

1700

650

Mortero de cemento o cal

50

1,300

1000

1900

Aislamiento Pavapor

22

0,038

2100

135

Mortero de áridos ligeros

50

0,410

1000

900

Parqué de madera

20

0,140

1200

650

Aislamiento Pavaflex OSB Aire [10% madera]

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,386

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,048

-

13,2

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,019

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

16,2

KJ/m2.K

Masa superficial

364

Kg/m2

Desfase temporal Φ

3 ESTUDIO COMPARATIVO

21

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CERRAMIENTOS COMUNES: Muros exteriores P 00-01-02 Materiales [ext > int.]

Espesor (mm)

Aislamiento XPS

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

Densidad (kg/m3)

80

0,038

1000

38

Hormigón armado

250

2,300

1000

2400

Ytong

200

0,110

1000

400

Yeso

15

0,400

1000

800

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,236

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,010

-

16,2

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,002

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

25,8

KJ/m2.K

Masa superficial

695

Kg/m2

Desfase temporal Φ

3 ESTUDIO COMPARATIVO

22

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MURO EXTERIOR: Caso Ligero [ventilado] Materiales [ext > int.]

Espesor (mm)

Aglomerado

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

Densidad (kg/m3)

15

0,140

1800

650

180

0,037

830

30

OSB

15

0,130

1700

650

Aislamiento Rockwool

40

0,037

830

30

Cartón yeso

13

0,210

1000

790

Aislamiento Rockwool

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,156

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,549

-

6,1

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,085

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

16,4

KJ/m2.K

36

Kg/m2

Desfase temporal Φ

Masa superficial

3 ESTUDIO COMPARATIVO

23

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MURO EXTERIOR: Caso Madera Optimizada [ventilado] Materiales [ext > int.]

Espesor (mm)

Aislamiento Isoroof

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

Densidad (kg/m3)

52

0,047

2100

240

160

0,048

2100

35

OSB

15

0,130

1700

650

Aislamiento Pavaflex

60

0,038

2100

55

Cartón yeso

13

0,210

1000

790

Celulosa [10% madera]

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,156

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,251

-

11,1

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,039

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

15,5

KJ/m2.K

41

Kg/m2

Desfase temporal Φ

Masa superficial

3 ESTUDIO COMPARATIVO

24

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MURO EXTERIOR: Caso Pesado [ventilado] Materiales [ext > int.]

Espesor (mm)

Aislamiento Rock SATE 1 pie LP métrico o catalán

0,038

830

110

280

0,634

1000

1150

40

0,037

830

30

12,50

0,210

1000

790

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,156

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,022

-

15,3

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,003

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

13,9

KJ/m2.K

Masa superficial

352

Kg/m2

Desfase temporal Φ

3 ESTUDIO COMPARATIVO

Densidad (kg/m3)

176,3

Aislamiento Rockwool Cartón yeso

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

25

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

CUBIERTA: Caso Ligero [ventilada] Materiales [abajo > arriba]

Espesor (mm)

Cartón yeso

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

Densidad (kg/m3)

12,50

0,210

1000

790

Aislamiento Rockwool

60

0,037

830

30

OSB

15

0,130

1700

650

192,50

0,037

830

30

15

0,140

1800

650

Aislamiento Rockwool Aglomerado

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,138

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,452

-

6,6

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,062

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

14,5

KJ/m2.K

37

Kg/m2

Desfase temporal Φ

Masa superficial

3 ESTUDIO COMPARATIVO

26

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

CUBIERTA: Caso Madera Optimizada [ventilada] Materiales [abajo > arriba]

Espesor (mm)

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

Densidad (kg/m3)

Panel de yeso Fermacell

15

0,320

1100

1150

Aislamiento Pavaflex

60

0,038

2100

55

OSB

15

0,130

1700

650

185

0,040

2100

150

35

0,047

2100

240

Aislamiento Pavawall Aislamiento Isoroof

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,138

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,073

-

17,1

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,010

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

22,4

KJ/m2.K

66

Kg/m2

Desfase temporal Φ

Masa superficial

3 ESTUDIO COMPARATIVO

27

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

CUBIERTA: Caso Pesado [ventilada] Materiales [abajo > arriba]

Espesor (mm)

Cartón yeso

Aislamiento XPS

0,210

1000

790

60

0,038

2100

55

300

0,938

1000

1110

196,30

0,038

1000

38

50

0,410

1000

900

Mortero de áridos ligeros

Propiedades térmicas & de inercia

Valor

Unidades

Transmitancia térmica U

0,138

W/m2.K

Factor de amortiguación fD

0,020

-

15,0

h

Transmitancia térmica periódica Yie

0,003

W/m2.K

Capacidad térmica periódica interior

13,9

KJ/m2.K

Masa superficial

399

Kg/m2

Desfase temporal Φ

3 ESTUDIO COMPARATIVO

Densidad (kg/m3)

12,50

Aislamiento Pavaflex

FU entrevigado cerámico

Conductividad Calor especifico (W/m.K) (J/kg.K)

28

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Temperaturas operativas Planta 04

Parámetro

CASO LIGERO

CASO Variación: MADERA Mad. opt. > OPT. Ligero

CASO PESADO

Variación: Pesado > Ligero

To max. (°C)

30,33

29,96

-0,37

29,57

-0,76

To media (°C)

28,25

28,17

-0,09

27,83

-0,43

To min. (°C) Delta T max. <> min. (ºC) Humedad relativa media (%)

25,14 5,19 51,23

25,32 4,64 51,41

0,18 -0,55 -

25,34 4,23 52,22

0,20 -0,96 -

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

29

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Temperaturas operativas Planta 04 Temperatura operativas Planta 04, 22 -28 Junio 31

30

29

To (ºC)

CASO LIGERO CASO MAD. OPT.

28

CASO PESADO 27

26

25

Hora

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

30

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

ANÁLISIS: Efecto de la ventilación natural nocturna •

Se contrasta el efecto de la inercia con el efecto de la ventilación nocturna

•

Se presenta un escenario con 2 ventanas completamente abiertas por planta, permitiendo una ventilación simple, cruzada, y con efecto chimenea, dando 3,1 renov./h cuando la temperatura del aire int. ≥ 22ºC & temp. aire ext. ≤ 22ºC [calculado con PHPP 2012: delta T = 1ºK & vel. viento = 0 m/s]

•

Se analizan las temperaturas operativas en la Planta 04 y la potencia de refrigeración de la ventilación natural

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

31

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Efecto de la ventilación natural nocturna

Caso Base @ 1,1/h ventilación nocturna

Caso Base @ 3,1/h ventilación nocturna

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

32

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Efecto de la ventilación natural nocturna sobre temperaturas Temperaturas operativas Caso Base, Planta 04: Ventilación 1,1/h vs. 3,1/h 31 30 29

To (ºC)

28

To Caso Base Vent. = (1,1/h)

27

To Caso Base Vent. = 3,1/h

26 25 24 23 22

Hora

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

33

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Efecto de la ventilación natural nocturna, potencia de refrigeración Potencia de refrigeración con ventilación natural, Caso Base, Planta 04:

Potencia de refrigeración (W/m2)

Ventilación 1,1/h vs. 3,1/h 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24

Vent. natural = 1,1/h (W/m2)

Vent. natural = 3,1/h (W/m2)

Vent. mec. + Vent. Nat. (1,1/h) + Infiltr. (renov/h) Vent. mec. + Vent. Nat. (3,1/h) + Infiltr. (renov/h)

Hora

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

34

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

ANÁLISIS: Efecto de la protección solar •

Se contrasta el efecto de la inercia con el efecto de la protección solar

•

Se presenta un escenario donde no se cierran las persianas exteriores en todas las ventanas de las plantas 03 & 04.

•

Se comparan las temperaturas operativas en la Planta 04 con y sin protección solar en las plantas 03 & 04

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

35

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Efecto de la protección solar sobre temperaturas Temperatura operativas Caso Base, Planta 04: Con protección solar vs. sin protección solar P 03-04 33 32 31

To (ºC)

30

To con prot. solar (°C)

29 To sin prot. solar P 03-04 (°C)

28 27 26 25 24

Hora

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

36

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

ANÁLISIS: Efecto de fachadas y cubierta ventiladas •

Se contrasta el efecto de la inercia con el efecto de las fachadas y cubierta ventilada

•

Se comparan las temperaturas operativas en la Planta 04 con y sin fachadas y cubierta ventiladas en las plantas 03 & 04

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

37

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

RESULTADOS: Efecto de fachadas y cubierta ventiladas sobre temperaturas Temperatura operativas Caso Base, Planta 04: Con fachadas y cubierta ventiladas vs. fachadas y cubierta no ventiladas P 03-04 32 31 30

To con fachadas & cubierta vent. (°C)

To (ºC)

29 28

To sin fachadas & cubierta vent. (°C)

27 26 25 24

Hora

4 RESULTADOS & ANÁLISIS

38

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

CONCLUSIONES •

El efecto de la inercia sobre la reducción de temperaturas en el edificio de referencia es pequeña (< 1K dif. To max. entre ligero y pesado). Si se aumenta la inercia térmica en solo una parte de un edificio pasivo en un clima cálido- como estrategia de diseño únicasu efecto será limitado.

•

Sin embargo, los resultados indican que la inercia juega un papel en la reducción de temperaturas operativas en edificios pasivos.

•

Para tener un mayor impacto, la inercia se tiene que integrar en una estrategia de diseño integral, en combinación – por ejemplo- con la ventilación, la protección solar y las fachadas y cubiertas ventiladas.

•

Para el edificio en cuestión y el clima local, la protección solar, la ventilación nocturna y las fachadas y cubiertas ventiladas, juegan un papel de igual o mayor importancia que la inercia en la reducción de las temperaturas (> 1K dif. To max. entre los casos estudiados).

•

Los resultados indican que la capacidad térmica del aislante es despreciable, para este edificio y clima; sin embargo, se puede evaluar otros criterios a la hora de elegir un tipo de aislante o otro (menor energía embebida-primaria no renovable, menor potencial de calentamiento global & acidificación etc.)

5 CONCLUSIONES

39

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

CONCLUSIONES “La simple combinación de los componentes apropiados no es suficiente para construir un edificio como casa pasiva – la integración total es de mayor importancia que la suma de las partes individuales.”

Feist et al

5 CONCLUSIONES

40

Jornada PEP: Inercia térmica – inercia pasiva, Febrero 2013

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Mis agradecimientos a Davide Reggiani por su colaboración

Enlaces de interés •

www.progetic.com

•

www.energiehaus.es

•

www.eliavaque.com

41