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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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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