Vivienda EE . La casa pasiva en el Mediterráneo

Vivienda EE+. La casa pasiva en el Mediterráneo
Autor: Víctor Galarza. Jefe de Producto.
Sistemas de Eficiencia Energética para Vivienda Unifamiliar. Saunier Duval.
Saunier Duval
Pol. Ind. Ugaldeguren III. Parcela 22
48170 Zamudio - España.
v.galarza@saunierduval.es
Resumen:
España esta desarrollando, actualmente, un modelo energético sostenible para la edificación basándose
en dos temas: la eficiencia energética y las energías renovables. Los programas de eficiencia
energética se orientan –entre otros- a la mejora de las condiciones técnicas de los edificios
(aislamientos, ventanas, etc.) y de sus instalaciones (calefacción, refrigeración, ventilación y agua
caliente sanitaria), motivando la utilización de las energías renovables.
“Vivienda EE+. La casa pasiva en el Mediterráneo”, es el Proyecto de Saunier Duval con
“Certificado Energético A”, donde se presentan innovadoras soluciones técnicas para alcanzar “el
máximo nivel de confort, con el mínimo consumo de energía” (reducción del consumo energía de 81%
y de las emisiones de CO2 de 73%):
a. Diseño del edificio con arquitectura bioclimática, para minimizar la “demanda energética”:
aislamiento térmico del envolvente del edificio (paredes, techo, suelo, puertas y ventanas exteriores);
sombreado exterior contra la radiación solar en ventanas (cubierta y fachada sur del edificio).
b. Sistema Integral de Climatización y Agua Caliente Sanitaria, para aprovechar de la energía con
“máxima eficiencia”: bomba de calor geotérmica (suelo/agua); energía solar térmica (ACS); suelo
radiante (calefacción/refrigeración); y, ventilación mecánica controlada con recuperador de calor.
Palabras clave: suelo, radiante, bomba, calor, geotérmica
1.
CONFORT TÉRMICO EN LA EDIFICACION
El Reglamento para Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE) define las condiciones de diseño
para climatizar un edificio de vivienda en el punto IT1.1.4.1.2.a): “Para personas con actividad
metabólica sedentaria de 1,2 met, con grado de vestimenta de 0,5 clot en verano y 1,0 clot en
invierno y un PPD entre el 10 y el 15%, los valores de temperatura operativa y de la humedad
relativa estarán comprendidos entre los límites presentados en la tabla 1.4.1.1.”.
Tabla I. Condiciones interiores de diseño en un edificio según el RITE
Debemos recordar que la sensación de temperatura de las personas en una habitación se
corresponde con la temperatura operativa y no con la temperatura del aire, como erróneamente lo
consideran muchas personas. De forma práctica, la temperatura operativa en el interior de los
edificios equivale al valor promedio entre la temperatura media radiante de las superficies interiores
de la habitación (suelo, paredes, techo) y la temperatura media del aire en el centro de la habitación.
Esta ecuación se cumple cuando la velocidad del aire es menor a 2 m/s ó cuando la diferencia entre
la temperatura media radiante y la temperatura media del aire es menor a 4ºC.
Es decir, si deseamos mantener una determinada temperatura operativa en la habitación en invierno,
podemos aumentar la temperatura radiante media y disminuir la temperatura del aire. En cambio en
verano, podemos reducir la temperatura radiante media y aumentar la temperatura del aire (Fig. 1)
En condiciones de confort térmico, el principal medio de emisión de calor de las personas hacia su
entorno es la radiación (40-50%). Luego, en menor medida, por convección (20-30%), conducción
(1-2%) y transpiración (30-40%).
INVIERNO
VERANO
Fig. 1. Condiciones teóricas de confort en un edificio de vivienda con un Sistema de Suelo Radiante
2.
CERTIFICACION ENERGÉTICA DE LOS EDIFICIOS
La Certificación Energética de los Edificios es una exigencia derivada de la Directiva Europea
2002/91/CE, traspuesta parcialmente al ordenamiento jurídico español a través del Real Decreto
47/2007 del 19 de enero y en vigor para edificios de nueva construcción desde octubre de 2007.
Esta previsto la elaboración de un nuevo Real Decreto para los edificios existentes para el año 2009.
Mediante una Etiqueta de Eficiencia Energética, el certificado asigna a cada edificio una Clase
Energética. La calificación A, para edificios energéticamente muy eficientes, con un mínimo consumo de
energía, supone la utilización de generadores de energía (calor o frío) de alta eficiencia energética
unido a buenos aislamientos térmicos en la envolvente del edificio. En cambio, la mayoría de los
edificios convencionales, poco eficientes, obtendrán las calificaciones C o D, equivalente al nivel
mínimo exigido por el actual Código Técnico de la Edificación (CTE).
La determinación del nivel de eficiencia energética correspondiente a un edificio puede realizarse
empleando dos opciones:
La opción general: De carácter prestacional, a través de los programas informáticos:
- CALENER -VYP para vivienda y edificios terciarios (pequeños y medianos); y,
- CALENER-GT para edificios de gran terciario.
La opción simplificada: De carácter prescriptivo, que desarrolla la metodología de cálculo de la
calificación de eficiencia energética de una manera indirecta.
3. DISEÑO DEL EDIFICIO (Arquitectura Bioclimática)
En el futuro, en la construcción o rehabilitación de edificios se deberá aplicar nuevos criterios en
diseño arquitectónico, materiales de construcción, etc., encaminados a la reducción de la demanda
energética:
-
Buen aislamiento térmico en paredes, techo y suelo exteriores
Buen aislamiento térmico en sistemas de puertas y ventanas exteriores
Adecuados sistemas de sombreado exterior como protección contra la radiación solar directa
sobre las zonas acristaladas que se encuentran en la fachada sur y en la cubierta del edificio
Sin embargo, para garantizar esta demanda mínima de energía, estas soluciones deben ir
acompañadas de:
-
Buen programa de mantenimiento del edificio y de sus instalaciones
Uso adecuado del edificio y de sus instalaciones
4. SISTEMA INTEGRAL DE EFICIENCIA ENERGETICA
El Sistema Integral de Eficiencia Energética para Climatización y Producción de Agua Caliente
Sanitaria (ACS), para este proyecto (Fig. 2), se compone de:
-
Bomba de Calor Geotérmica (suelo/agua)
Sistema de Energía Solar Térmica (ACS)
Sistema de Suelo Radiante para calefacción y refrigeración
Ventilación Mecánica Controlada de doble flujo, con recuperador de calor
Sistema de Regulación de Temperatura del Agua para el suelo radiante (invierno/verano)
Sistema de Regulación de Temperatura de Confort en cada habitación
Fig. 2. Esquema tipo del Sistema Integral de Eficiencia Energética para Climatización y ACS
El máximo rendimiento de una bomba de calor geotérmica se obtiene en combinación con un
sistema de climatización por suelo radiante. Este sistema aprovecha de forma óptima tanto la
inercia térmica del terreno exterior (energía acumulada en la superficie del planeta) como la inercia
térmica de la vivienda (energía acumulada en el suelo, paredes, techo) para mantener el interior de
la casa en condiciones de confort, durante el día o la noche, en invierno o verano, minimizando los
efectos de la temperatura exterior.
Para esto, la bomba de calor geotérmica realiza un intercambio de calor con la Tierra por medio de
un captador vertical geotérmico. En este caso, se coloca un circuito de tubos (2 ó 4) dentro de una
perforación a 50-100 m de profundidad y de 110-140 mm de diámetro.
Durante todo el año, la diferencia de la temperatura del agua entre el circuito primario (terreno /
bomba de calor) y el circuito secundario (bomba de calor / suelo radiante) es mínima. Tanto en
invierno como en verano, éstos valores se mantienen prácticamente constantes si consideramos que
tanto el circuito primario como el circuito secundario trabajan de forma estable aprovechando la
“inercia térmica” del terreno y de la casa.
En invierno, el salto térmico del agua es de sólo 15ºC si consideramos que el agua en el circuito
primario trabajará con una temperatura media de +15ºC y el circuito secundario o terciario a +30ºC.
En cambio en verano, en modo de refrigeración, el salto térmico es de +2ºC considernado que la
temperatura del circuito primario se mantiene también en aproximadamente +15ºC y el circuito
secundario a +17ºC.
En verano, la bomba de calor geotérmica trabajará en dos fases:
-
“free cooling ó pasiv cooling”. A inicios y finales del periodo de verano, cuando la demanda de
refrigeración en el edificio es baja, el circuito frigorífico de la máquina no se pondrá en
funcionamiento. En estos periodos será suficiente la transferencia de calor a través de un
intercambiador de calor entre el circuito secundario y el circuito primario del sistema.
-
“activ cooling”. Durante el verano, cuando la demanda de refrigeración del edificio es alta, la
bomba de calor geotérmica trabaja de forma normal, con el circuito frigorífico en marcha para
generar agua fría a +15ºC para el sistema de suelo radiante.
Dentro de la vivienda, en el suelo radiante, se coloca una red de tubos dentro de la capa de mortero
de cemento con un recubrimiento de tipo cerámico, parquet, etc.
En invierno, el mortero emite el calor por efecto radiante, y en menor grado convección, hacia los
elementos estructurales de la habitación (paredes, techo, puertas, etc.). En cambio en verano, el
suelo absorbe el calor por radiación, y en parte por convección, desde los elementos estructurales
(paredes, techo, puertas, etc.). Desde aquí, el agua transporta el calor hacia el terreno, fuera de la
vivienda.
Los sistemas de regulación permiten impulsar el agua a la temperatura deseada durante todo el año
y controlar de forma independiente la temperatura de confort en cada uno de los locales
climatizados.
Para asegurar la calidad del aire en el interior de la vivienda (según el CTE / HS3), el edificio
cuenta con un sistema de ventilación mecánica controlada (VMC) de doble flujo, que permite la
renovación y la filtración adecuada del aire “fresco”.
Además, gracias a su intercambiador entálpico de calor, se recupera la energía del aire “residual”
que se perdería debido a la ventilación, pre-calentando (en invierno) o pre-enfriando (en verano) el
aire “fresco”. El aire circula desde los locales secos a los locales húmedos, para ello el salóncomedor, dormitorios y oficina cuentan con rejillas de admisión de aire; en cambio, la cocina y los
cuartos de baño disponen de rejillas de extracción de aire. Los marcos de las puertas situadas entre
los locales de admisión y extracción disponen de aberturas para el paso de aire.
Finalmente, como complemento de la bomba de calor geotérmica, el equipo de energía solar
térmica permite producir agua caliente sanitaria (ACS) en todo momento, reduciendo aún más la
demanda de energía en la vivienda.
5. AHORRO ENERGETICO
La reducción de la demanda de energía en el edificio de alta eficiencia energética, se debe –entre
otros- al uso de un sistema de suelo radiante que permite precalentar el edificio en invierno o
preenfriar el mismo en verano, aprovechando la inercia térmica del edificio, con lo que se consigue:
-
-
Menor demanda energética en horas de mínimas o máximas temperaturas exteriores.
Mayor eficiencia de los generadores de calor o frío (por ejemplo: bomba de calor geotérmica).
Posibilidad de trabajar con agua a baja temperatura en calefacción (30-35ºC) y alta temperatura
en refrigeración (15- 17ºC). Con esto se consiguen menores pérdidas o ganancias de calor en
los circuitos de agua.
Posibilidad de trabajar con temperaturas de aire (interior) inferiores en calefacción y superiores
en refrigeración. Esto permite reducir también el efecto de "shock térmico" cuando las personas
entran o salen de la casa.
A continuación (Tabla II) se presenta un resumen de las mejoras técnicas que se pueden realizar en
un edificio para reducir las cargas de invierno y verano, desde un edificio tradicional (Sistema 10)
hasta un edificio con “Calificación Energética A” (Sistema 1).
Tabla II: Cálculo teórico de cargas de invierno y verano para una vivienda unifamiliar en Barcelona
A estos valores, se debe añadir la reducción en el consumo de energía al utilizar generadores de
calor y frío de alta eficiencia energética, como la bomba de calor geotérmica, que permite un ahorro
de energía anual de más de un 75%.
Teniendo en cuenta dos edificios de referencia, uno con el Sistema 1 y otro con el Sistema 10
(incluyendo una bomba de calor geotérmica), el ahorro energético teórico global alcanzado en la
“Vivienda EE+” es del 81% y la reducción en las emisiones de CO2 es del 73%.
5. EL PROYECTO
DATOS DEL PROYECTO
Ubicación: Barcelona
Tipo de edificio: Vivienda Unifamiliar Adosada
Superficie habitable: 180 m2
Número de personas: 4
Zona Climática según CTE: 2
Composición: Salón, Comedor, Dormitorios (4), Baños (3)
CERTIFICADO ENERGETICO CLASE A
Emitido por: Institut Català de la Energya (ICAEN)
Fecha: Febrero 2.009
Programa: CALENER VIP
Consumo de energía: 13.794,48 kWh/año
Anual: 59,50 kWh/m2
Emisiones CO2: 1.576,51 kgCO2/año
Anual: 6,80 kg/CO2/m2
ENVOLVENTE DEL EDIFICIO
Fachada Norte: ventilada con aislamiento poliestireno
extruido 60 mm (exterior) y lana mineral de 40 mm
(interior), evitando los puentes térmicos.
Fachadas (otras): protección con monocapa sobre
aislamiento de poliestireno expandido 50 mm (exterior) y
lana mineral de 40 mm (interior).
Paredes interiores; todas las paredes divisorias son tipo
trasdosado de placa de yeso laminado (construcción en
seco) con aislamiento de lana mineral de 40 mm.
Cubierta: invertida plana transitable con acabado cerámico
espesor total 65 cm compuesta por: pavimento de dos capas
de baldosa cerámica; chapa de hormigón 5 cm; aislamiento
de poliestireno extruido 80 mm; lamina separadora de
geotextil; lamina impermeable asfáltica LBM-40; chapa de
hormigón aligerado de 7 a 13 cm; forjado unidireccional
semi-resistente 23 cm; aislamiento de lana mineral de 40
mm; cámara de aire no ventilada 16,5 cm; Falso techo de
placas de yeso laminado 12,5 mm.
Suelo: solera formada por las siguientes capas: grava de 15
cm de espesor sobre el terreno saneado; lamina de
polietileno; chapa de hormigon de 10 cm de espesor; losa
de cimentación de hormigón armada con retracción
moderada de 40 cm de espesor; mineralizador; aislamiento
de poliestireno extruido 120 mm; sistema de suelo radianterefrescante (ver punto suelo radiante)
PUERTAS Y VENTANAS
Puertas / Ventanas: Aluminio de perfil oculto, con rotura
de puente térmico, oscilante 26/20 dBa; U = 1,6(w/m2k);
sustitución de las juntas de felpa por EPDM (Etilenopropileno)
Cristales: Doble Acristalamiento; SGG Climalit plus SAFE
con Planistar, 44,1/16/44,1, formado por vidrio bajo
emisivo, sobre laminar STADIP; U = 1,4(w/m2k); g = 0,40
Persianas: Plegables de aluminio, de lama ancha
orientable, permite el paso de luz con una mínima
radiación solar.
Cajón de la persiana: registro exterior e inferior,
aislamiento de lana mineral 80 mm.
BOMBA DE CALOR GEOTERMICA
Usos: calefacción; ACS; calentamiento de piscina.
Equipo: Magna Geo SD 06 BM, con acumulador ACS
Potencia térmica: 6 kW
Potencia absorbida: 1,4 kW (monofásica)
Dimensiones: 1800 x 600 x 900 mm
Características: bombas de recirculación en circuito
primario y secundario; compresor scroll; control de
equilibrado energético con sonda de temperatura exterior y
pantalla de información gráfica; resistencia eléctrica de
apoyo ajustable 2/4 kW; interacumulador para ACS de 175
litros en acero inoxidable
Temperatura agua calefacción: 25 / 62 ºC (min./máx.)
Temperatura ACS: 55ºC / 75ºC (sin / con apoyo eléctrico)
Kit calor / frío:
Usos: Refrigeración (pasiva y activa)
Permite la generación de agua fría para refrigeración de la
vivienda. De forma simultánea –y gratuita- se produce agua
caliente para ACS y calentamiento de piscina.
Incluye control para kit calor y frío.
ENERGIA SOLAR TERMICA
USO: Producción de ACS
Colector solar plano SRV 2.3; 2 unidades; Vertical; 2,33 m2
Acumulador ACS: 200 litros
Accesorios: Grupo hidráulico; control; vaso expansión;
purgador; soportes.
SUELO RADIANTE
Usos: calefacción (invierno) y refrigeración (verano)
Plancha aislamiento y fijación del tubo: Poliestireno
expandido, 25 mm base, alta densidad 50 kg/m3
Tubo: PE-Xa 16 mm, con barrera contra la difusión O2
Mortero: autonivelante, espesor 30 mm
Recubrimiento: pavimento de piedra natural 3 cm
VENTILACION MECANICA CONTROLADA
Equipo: DF DUOLIX SIBER. 2 unidades.
Usos: ventilación permanente de la vivienda, para mantener
la calidad del aire según el CTE / HS3.
Características: Central de doble flujo para vivienda
individual; 2-3 baños; regulación por potenciómetro del
caudal (105 a 165 m3/h); filtrado de aire exterior;
intercambiador entálpico de calor.
SISTEMA DE MONITORIZACION
Equipo: SAVERIS TESTO
Uso: Medición y registro de datos
Datos: temperatura de aire (interior/exterior); humedad
relativa del aire (interior/exterior); temperatura radiante
(suelo, paredes); temperatura de agua en circuito primario
BCG / sonda geotérmica (impulsión, retorno); temperatura
de agua circuito secundario BCG/SRR (impulsión/ retorno),
temperaturas dentro de suelo radiante (4 sondas).