Transmitancia térmica de la envolvente y cumplimiento del DB-HE 2019 para un bloque de viviendas

2.1. Definición del edificio tipo

Como caso de estudio, se ha definido un edificio de siete plantas, entre medianerías, con patio interior, de uso residencial con uso comercial en planta baja, con orientación Norte-Sur (Figura 1), correspondiente a la tipología de bloque en H. Las superficies correspondientes a la envolvente se muestran en la Tabla 1, sumando en total 2154 m², con una compacidad de 3,54. Aunque sea parte también de la envolvente térmica, las medianerías no se utilizan para el cálculo simplificado del coeficiente global de transmisión de calor (K), ya que se presupone que el otro espacio que separa está climatizado y puede considerarse adiabático.

Tras la definición del modelo, se utiliza el porcentaje de huecos en fachada como parámetro de diseño a estudiar, en el cual se hace una serie de hipótesis que se sitúan entre el 10% y 35%, con el fin de mostrar una serie de posibilidades entre las situaciones más habituales de huecos para uso residencial.

Además del anterior parámetro correspondiente a las cualidades geométricas de edificio, se ha realizado el estudio para los siguientes climas: α3, A4, B3, C2, D3, E1, que representan un abanico amplio de severidades climáticas.

2.2. Parámetros económicos

En este estudio se ha analizado exclusivamente el impacto económico que tienen el aislamiento térmico y los huecos. Se ha hecho una comparación de diversas soluciones constructivas recogidas en una base de datos (12(12) CYPE Ingenieros (2020) Generador de precios. España. Recuperado de http://www.generadordeprecios.info/#gsc.tab=0
) para obtener los precios del material de aislante y de huecos. En el caso del aislamiento térmico, se ha asignado un precio de 1,5 €/m²·cm tras comprobar distintos materiales aislantes. En cuanto a los huecos, se han buscado los precios más comunes para las soluciones constructivas definidas en la tabla 2.

Una vez fijados los precios de cada componente, se multiplican por la superficie de cerramiento correspondiente y se dividen por la superficie total de envolvente para mostrar el precio relativo de la solución constructiva.

2.3. Características térmicas de la envolvente

Para poder transformar los valores de transmitancia límite y los del anejo E en una solución concreta para la realización de este trabajo, se ha elegido usar un aislante térmico con una conductividad λ = 0,034 W/mK, al que se le añade la resistencia térmica de una solución constructiva base para cada tipo de cerramiento. En muros, se añade la resistencia térmica de una fábrica de ladrillo perforado hueco doble (0,4 m²K/W), mientras que en cubierta la equivalente a la solución de baldosín catalán sobre forjado unidireccional con entrevigado cerámico de 30 cm (0,5 m²K/W). En solera, además de la resistencia de su solución base, plaqueta de gres y solera de hormigón de 25 cm (0,31 m²K/W), se le añade la resistencia térmica del terreno, calculada según los métodos de cálculo en la norma UNE-EN ISO 13370 (10(10) AENOR. (2017). UNE-EN ISO 13370:2017. Prestaciones térmicas de edificios. Transmisión de calor por el terreno. Métodos de cálculo. Asociación Española de Normalización.
), obteniendo una resistencia total de la solución base de 2 m²K/W. (Figura 2).

En el caso de los huecos, éstos se definen por su transmitancia térmica (U), que ha servido para definir 6 tipos distintos de ventanas (Tabla 2), con soluciones concretas de marco y vidrio, usando los datos del catálogo de elementos constructivos del CTE (11(11) IETcc-CSIC. (2008). Catálogo de elementos constructivos del CTE. Madrid: Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (IETcc-CSIC). Recuperado de https://itec.cat/cec/
).

Otros factores que influyen en el comportamiento de los huecos son el factor solar del vidrio (g), que en este caso ha sido 0,5, y la transmitancia de energía solar con dispositivos de sombra móviles (g_gl;sh;wi), se ha definido en 0,04, correspondiente a un hueco con vidrio doble y con persiana como dispositivo de protección solar. Además de estos parámetros, se han simulado los huecos con 20 cm de retranqueo respecto a la fachada.

Tras la especificación de estos criterios, se usaron los valores límite de transmitancia de la sección HE-1 y los valores orientativos del Anejo E para definir las correspondientes soluciones constructivas en los distintos climas (Tabla 3).

2.4. Cálculo de K y del coste de la envolvente

La sección HE1 está dedicada a las condiciones que limitan la demanda energética. Una de ellas es el coeficiente global de transmisión de calor (K), que viene expresado mediante la fórmula [1]. Este valor aproxima el valor medio del coeficiente de transferencia de calor de los elementos de la envolvente incluyendo los puentes térmicos. Tras un breve estudio de los puentes térmicos usando de referencia los valores de las soluciones del atlas de puentes térmicos del grupo 1 (13(13) MFOM. (2014). Documento de Apoyo DA DB-HE / 3 Puentes térmicos, Código Técnico de la Edificación. Ministerio de Fomento. España. Recuperado de https://www.codigotecnico.org/images/stories/pdf/ahorroEnergia/DA-DB-HE-3_Puentes_termicos.pdf
), correspondientes a soluciones en las que se han tratado éstos mínimamente, con continuidad en el aislamiento, se ha tomado como hipótesis razonable que los puentes térmicos supongan un incremento de K del 5%.

A partir de estos criterios, se procedió al cálculo del valor de K mediante la aplicación EnvolventeCTE (14(14) Villar Burke, R., Jiménez González, D., Sorribes Gil, M. (2020) Envolvente CTE. Recuperado de https://pachi.github.io/envolventecte/#/
) para los distintos porcentajes de huecos con las soluciones constructivas definidas y la diferencia con el límite marcado para cada clima. Tras esto, se calcularon las soluciones óptimas en coste que verifican el requisito de K_lim para aquellas que no cumplieron con el límite, escogiendo entre las distintas posibilidades aquellas que tuvieran el menor coste relativo de la envolvente térmica posible según los anteriores parámetros económicos. Posteriormente, se hizo una comparación de costes entre estas soluciones óptimas y las obtenidas mediante los valores orientativos del Anejo E con las soluciones base que se obtienen de las transmitancias límite.

2.5. Cálculo de los consumos energéticos

La verificación de la sección HE0 del documento se realiza una vez que se ha definido la envolvente térmica. Para ello, se ha procedido a realizar el cálculo de las demandas de calefacción y refrigeración de los distintos casos usando las soluciones óptimas que cumplen K_lim y las soluciones del anejo E mediante la Herramienta unificada LIDER-CALENER (HULC), herramienta gratuita de simulación y certificación energética del MITMA. (15(15) MITMA. (2020). Recuperado de https://www.codigotecnico.org/Programas/HerramientaUnificadaLIDERCALENER.html
)

Para evaluar los indicadores de consumo de la sección HE0, además de las demandas de calefacción y refrigeración, es necesario tener en cuenta el impacto de la producción de ACS y la ventilación. La demanda de ACS se ha establecido para una ocupación de 35 m²/pers y un consumo de 28 l/dia·pers, con un factor de pérdidas de 1,1 y una contribución de energía renovable del 60%. La demanda de ventilación se ha calculado con 0,6 ren/h y 2,7 m³/m². Estos valores están, bien condicionados por exigencias reglamentarias del CTE, o bien resultan de valores típicos en uso residencial.

A partir de estos datos se ha calculado los consumos con un equipo habitual en vivienda, compuesto por una caldera de condensación con rendimiento η=0,95 y una bomba de calor con rendimiento η=2,50. Se han usado los factores reglamentarios de paso a energía primaria, recogidos en la herramienta HULC, para hallar los consumos de energía primaria no renovable (C_ep.nren) y primaria total (C_ep,tot)(16(16) MINETUR, MFOM. (2014). Factores de emisión de C02 y coeficientes de paso a energía primaria de diferentes fuentes de energía final consumidas en el sector de edificios en España. Ministerio de Industria, Energía y Turismo, Ministerio de Fomento. España. Recuperado de https://energia.gob.es/desarrollo/EficienciaEnergetica/RITE/Reconocidos/Reconocidos/Otros%20documentos/Factores_emision_CO2.pdf
).

3.1. Cálculos de K (verificación HE1)

3.2. Cálculos de consumos (verificación HE0)

4.1. Cumplimiento de los valores de K

El cálculo de K con las soluciones de transmitancias límite (Tabla 4) ha mostrado que los valores límite son en general útiles para porcentajes bajos de huecos, mejorando este comportamiento en climas fríos. Sin embargo, las soluciones que usan los valores del Anejo E arrojan resultados dispares según el clima. En aquellos cálidos, los valores de transmitancia límite se observan insuficientes para la mayoría de porcentajes de huecos. Mientras, en climas templados y fríos estos valores permiten cumplir para la mayoría de hipótesis estudiadas.

Para el cumplimiento de K_lim, la tabla 5 donde se recogen las soluciones óptimas permite observar que en climas cálidos las soluciones que verifican el coeficiente K tienen valores de transmitancia más alejados del límite que aquellas soluciones en climas fríos. Se muestra que en climas cálidos la opción más eficaz para el cumplimiento consiste en la mejora de las transmitancias en los elementos opacos. En particular, las transmitancias en las partes opacas en el clima α3 son menores que en el clima A4, pero esto es debido a que las transmitancias de los huecos son mayores en el clima insular. Por el contrario, al partir de espesores mayores en climas fríos, la principal medida consiste en la mejora de las transmitancias de huecos. Por otra parte, en todos los climas resulta evidente que, para porcentajes altos de huecos, la mejora de la transmitancia de los huecos es la opción que más influye en el cumplimiento final.

En líneas generales, se aprecia que en pocas situaciones se necesitan espesores elevados de aislamiento para lograr cumplir el coeficiente de transmitancia global. Esto se explica porque la transmitancia del elemento es inversamente proporcional a la resistencia térmica, que está relacionada directamente con el espesor. (Figura 5).

La comparación entre mismos porcentajes de huecos para distintos climas muestra algunos resultados que a priori pueden parecer extraños. Por ejemplo, menores transmitancias en climas cálidos que en fríos del mismo elemento. Esta situación puede venir dada por la propia metodología, ya que, en este caso, se está trabajando con espesores concretos de aislante con una diferencia de centímetro en centímetro que no permite elegir espesores intermedios.

Por otra parte, la reducción de la transmitancia en los huecos en porcentajes altos tiene un gran impacto en el cómputo global, lo que logra que a veces se puedan reducir los espesores del aislante respecto a un clima más suave.

En este sentido, se ha realizado posteriormente un estudio de los huecos para aquellos casos que con las soluciones del Anejo E no se cumplía el coeficiente K, utilizando la siguiente solución de hueco de la tabla 2 según su transmitancia, comprobando el cumplimiento de la exigencia hasta el 25% de huecos en fachada para los climas α3 y A4 y en todos los demás casos de los restantes climas. Esta situación indica que los valores de transmitancia de huecos en estos climas son menos restrictivos que los valores de elementos opacos.

4.2. Cumplimiento de los valores límite de consumo

Los resultados que se arrojan tras el cálculo de los consumos en las dos variantes de envolvente que se han estudiado muestran que ambas soluciones permiten cumplir el límite de consumo de energía primaria total (C_ep,tot) (Figura 4). Sin embargo, en lo referido al consumo de energía primaria no renovable (C_ep,nren) (Figura 3), se encuentran dificultades para el cumplimiento del requisito en climas cálidos en porcentajes altos de huecos.

Las diferencias y tendencias que se han encontrado muestran que, aunque la envolvente tenga unas prestaciones de calidad, el diseño del edificio es fundamental a la hora de cumplir los límites de consumo.

Por ejemplo, es destacable la influencia del porcentaje de huecos en los consumos y su diferencia en un clima cálido y en un clima frío. Al aumentar la superficie acristalada, aumenta a su vez la radiación solar que penetra dentro del edificio, calentando el espacio interior. Este efecto se muestra negativo en los climas cálidos, donde la demanda de refrigeración es más importante. Sin embargo, en los climas fríos esta situación resulta favorable, ya que el calentamiento que se consigue mediante las ganancias solares permite reducir la demanda de calefacción, donde es más restrictiva, sin afectar significativamente a la refrigeración.

Es destacable también la diferencia que existe entre los valores de las soluciones óptimas y los valores orientativos del Anejo E. En climas cálidos se observan valores similares entre ambas soluciones, sin embargo, en climas fríos los resultados difieren según la solución adoptada. Las soluciones óptimas en estos climas muestran una mayor sensibilidad según el porcentaje de huecos, con tendencia a disminuir los consumos a mayor porcentaje, mientras, con las transmitancias orientativas del Anejo E, esta tendencia se invierte.

En el caso concreto del edificio que se ha usado de modelo para realizar este estudio, se puede deducir que es una tipología más adecuada para climas templados y fríos. En climas cálidos, es posible obtener mejoras claras en los niveles de consumo mediante sombras, fijas o móviles, en las que no se modifican las transmitancias de los elementos de la envolvente térmica.

Aunque a efectos de comparación en este estudio se ha mantenido fijo el diseño del edificio, se aprecia la gran importancia de adaptar el diseño del edificio al clima.

4.3. Comparación económica entre los valores límite y el anejo E

En los casos en los que ambas soluciones permiten el cumplimiento de los dos requisitos, las soluciones optimizadas que se ciñen estrictamente al valor de K_lim resultan más económicas a la hora de la construcción de la envolvente. (Tabla 6)

Sin embargo, al calcular los consumos se muestran las diferencias que se consiguen al usar los valores que cumplen el límite reglamentario y los valores orientativos del Anejo E, observándose que a medida que el clima es más frío, la diferencia entre usar los valores límite y los orientativos, son mayores.

Al mismo tiempo, debe tenerse en cuenta que este análisis se ha realizado para un edificio con una compacidad concreta y sin tener en cuenta en el estudio de costes el coste de operación (el coste del consumo de energía), que sí está incorporado en los valores orientativos del Anejo E. En este sentido, las soluciones derivadas de los valores orientativos, aunque sean más costosas al principio, logran valores de consumo inferiores, lo que a la larga puede resultar más económico al usuario.