Sobrecalentamiento de edificios pasivos o NZEB: evaluación mediante simulación

Los procedimientos de cálculo y análisis utilizados en la reglamentación (Código Técnico) o en la Calificación Energética o las certificaciones del tipo certificado Passivhaus / Mienergie/… basan sus criterios en la determinación de la demanda o el consumo de energía de los sistemas de climatización HVAC (incluyendo también ACS, iluminación…) del edificio considerando unos perfiles ocupacionales y unas temperaturas de consigna prefijadas sin propiciar que se efectúe un análisis profundo del funcionamiento pasivo del edificio.

La simulación energética de edificios permite no solo obtener los datos de demanda o consumo de energía, sino que lo que es mas importante permite obtener la casi totalidad de temperaturas o flujos de fluidos o calor que intervienen en el edificio para poder realizar análisis mucho más ricos y detallados que puedan resultar útiles para mejorar el diseño de edificios para hacerlos más eficientes y adaptados a las expectativas de los usuarios.

• ¿Cómo evaluar el sobrecalentamiento en edificios pasivos?
• Comparación temperatura con banda de confort
• Nivel máximo de sobrecalentamiento
• Número de horas por encima de una temperatura.
• Grados hora por encima de la temperatura de confort
• Comparación temperatura con temperatura de confort adaptativo
• Comparación tempertatura interior exterior
• Conlusiones 

¿Cómo evaluar el sobrecalentamiento en edificios pasivos?

Un edifico pasivo es aquel que es capaz de funcionar (al menos un elevado porcentaje de tiempo) sin precisar el uso de equipos de climatización.

Atendiendo a la consideración anterior para evaluar el comportamiento de un edificio pasivo no es procedente hacerlo mediante la evaluación del consumo ya que ello trae aparejado que el edifico esta realmente usando equipos de clima para mantener las condiciones de confort deseadas por los usuarios.

Es claro que un edifico que tenga una demanda energética baja indica que sus necesidades de energía son bajas y ello nos “acerca” al objetivo de un comportamiento pasivo pero es posible que se produzcan durante periodos de tiempo situaciones en que las temperaturas alcanzadas en los recintos no alcance las expectativas de confort de los usuarios sin que ello conlleve un aumento significativo de la demanda (por una duración relativamente corta o una diferencia de temperatura relativamente pequeña).

Sería mejor que la evaluación del carácter pasivo de los edificios se efectuase mediante el uso de una herramienta de simulación sin disponer de equipos para ir “ajustando” el diseño de forma que se optimice el comportamiento pasivo.

Los equipos solo deberían introducirse a posteriori una vez optimizado el comportamiento pasivo del edifico en proyecto.

La evaluación de sobrecalentamiento puede efectuarse con diferentes tipos de análisis que fácilmente se pueden implementar en una simulación energética en flotación libre.

Veremos a continuación varias propuestas de como conducir este tipo de análisis.

Comparación temperatura con banda de confort

Se debe definir “convencionalmente” un entorno de temperaturas que se consideren confortables (por ej entre 20ºC i 26ºC) y analizar durante que horas y con que profundidad la temperatura de un recinto se aparta de la zona de confort.

En el ejemplo siguiente se representa la temperatura media del aire de un recinto a lo largo de un año.

 De forma muy rápida se aprecia claramente que durante bastantes horas el recinto “se escapa” de la banda definida convencionalmente como de temperatura confortable, este ejemplo no permite considerar este recinto como pasivo con independencia de cuál sea su demanda o consumo de energía. 

Nivel máximo de sobrecalentamiento

Basta con buscar la diferencia entre la hora en la que se produce la temperatura máxima en el recinto y restarle la temperatura de referencia

En este caso obtendríamos 32,05-26= 6,05 ºC de sobrecalentamiento lo que indica un nivel de sobrecalentamiento significativo.

Este indicador tiene la deficiencia que no toma en consideración si el fenómeno del sobrecalentamiento se produce solo ocasionalmente o de forma repetitiva durante mucho tiempo. 

Número de horas por encima de una temperatura

Exportando los datos del grafico a una hoja de cálculo se puede cuantificar el grafico anterior efectuando un recuento de las horas en que la temperatura del recinto supera a la de referencia para estimar el riesgo de sobrecalentamiento con lo que se obtendría el numero de horas por encima de la de confort.

No debe confundirse este valor con el de horas fuera de consigna que indica el numero de horas en que los sistemas del edifico no son capaces de alcanzar la temperatura definida como consigna para activar los sistemas de calefacción o refrigeración.

En el ejemplo anterior habríamos obtenido un valor de 2571 h por encima de 26ºC por lo que podemos asumir que un numero elevado de tiempo el recinto estará sobrecalentado.

Este indicador tiene como deficiencia que solo toma en consideración la duración y no el nivel de sobrecalentamiento.

Grados hora por encima de la temperatura de confort

Para tratar de solventar las insuficiencias de los dos indicadores anteriores se suele usar un indicador que tome en consideración de forma simultánea la duración y el nivel de sobrecalentamiento.

Se trata de acumular la diferencia de temperatura entre la referencia y la realmente alcanzada para las horas en la que se produce sobrecalentamiento, de esta forma se obtiene no solo la duración sino también una ponderación del grado de sobrecalentamiento.

En el ejemplo anterior obtendríamos un valor de 5184 grados hora de sobrecalentamiento.

Comparación temperatura con temperatura de confort adaptativo

De modo análogo a como se ha hecho con una temperatura “arbitraria” de referencia se puede usar la temperatura de confort adaptativo de acuerdo con las normas CEN15251 o ASHRAE55, estas normas están especialmente indicadas para evaluar el confort de los usuarios en régimen de verano en edificios no climatizados por lo que es indicado para edificios pasivos.

Temperatura adaptativa ASHRAE 55

Se parecía claramente que durante el periodo de verano el edifico se aparta sensiblemente de las condiciones de confort por lo que no puede considerarse como un edifico pasivo

Temperatura adaptativa CEN15251

De modo análogo a como se ha hecho anteriormente se pueden obtener el número de horas o grados hora de sobrecalentamiento.

En este ejemplo podemos resumir los resultados en la tabla siguiente:

                                                                                                   CEN 15251           ASHRAE 55

Nº de horas de sobrecalentamiento                                               3644                      4742

Grados hora de sobrecalentamiento                                              6650                      12836 

Correlación temperatura interior exterior

Se puede efectuar un análisis de correlación construyendo un grafico en que se correlacione la temperatura exterior del aire con la interior del recinto y dividirlo en cuadrantes para analizar las horas en que el sobrecalentamiento es evitable mediante una gestión mejorada de la ventilación.

Conclusiones

La evaluación del carácter pasivo de un edifico debería hacerse en flotación libre sin la contribución de los sistemas.

La evaluación del sobrecalentamiento es simple y rápida usando las herramientas corrientes de simulación energética por lo que no se justifica pues su omisión.

La evaluación de la demanda es solo un método indirecto para estimar el carácter pasivo de los elementos.

El hecho de que el edifico se sobrecaliente o no es independiente de la reglamentación o la certificación que se use como referencia.

El sobrecalentamiento debe evaluarse adicionalmente a las evaluaciones habituales de demanda o consumo de los edificios.

Los métodos propuestos de evaluación del sobrecalentamiento son los suficientemente flexibles para que el diseñador pueda adaptarlos a las necesidades específicas de cada caso.