Análisis termodinámico de suelo radiante eléctrico

Se presentan los resultados de un estudio de simulación termodinámica, comparando suelos laminados en base madera con suelos de cerámica y gres, calefactados con un sistema de folio radiante eléctrico, para instalaciones en seco y en húmedo. Los suelos se han modelizado en la planta intermedia de un edificio destinado a uso residencial, en el clima de Madrid. 

El objetivo del estudio es analizar la respuesta térmica dinámica de los diferentes tipos de suelo y comparar el consumo de energía por calefacción.

Tipologías de suelo

Las tipologías de suelo estudiadas se ven en la siguiente Tabla:

Modelo de cálculo

Se ha modelizado un edificio plurifamiliar de 4 plantas sobre rasante, con 4 viviendas por planta, de ~ 86 m2 de superficie útil/vivienda, y 342,1 m2 calefactados en total. Se ha modelizado únicamente la planta segunda del edificio. La planta inferior y superior (consideradas como espacios ocupados y calefactados con las mismas condiciones de ocupación) se han modelizado como adiabáticas.

Para las simulaciones, se ha usado la herramienta DesignBuilder, con el motor de cálculo termodinámico EnergyPlus.

Los muros exteriores son de doble hoja de ladrillo perforado cara vista de 14 cm, cámara de aire de 5 cm, aislamiento térmico de 6 cm, hoja de ladrillo hueco interior de 9 cm con enyesado (U = 0,39 W/m2·K). Las carpinterías son de aluminio con rotura de puente térmico (Uf = 3,6 W/m2·K) con vidrios dobles con aire en la cámara (Ug = 2,9 W/m2·K y g = 69%). La renovación de aire es mecánica con una tasa de renovación de 0,63 ren/h, con recuperación de calor sensible (η = 70 %). Para las viviendas, las infiltraciones de aire exterior se han considerado N50 = 5/h, convertidas a presión atmosférica y repartidas por zona conforme su área expuesta. Las infiltraciones de la escalera se han modelizado con 1/h.

Se han analizado los consumos energéticos de las 4 viviendas en la planta segunda, con un análisis detallado de la Habitación 1 (al sur oeste).

Sistema de folio radiante eléctrico

Se ha modelizado un sistema de folio radiante eléctrico. Se simulan folios con las siguientes potencias nominales debajo de cada tipo de suelo:

• Suelo de madera laminada (sistema directo): 75 W/m lineal
• Suelo de madera laminada, con mortero autonivelante: 116 W/m lineal
• Suelo de gres/cerámica, con solera seca/mortero autonivelante: 116 W/m lineal

La potencia de folio radiante para cada vivienda y la para la Habitación 1, se muestra en la siguiente Tabla. Se ha modelizado el folio como un componente “ZoneHVAC: Low Temperature Radiant: Electric”, insertado en DesignBuilder mediante un script de EnergyPlus.

Consignas

Las consignas de calefacción usadas son las que indica el Anejo D “Condiciones operacionales y perfiles de uso” del CTE DB HE 2019:

• Consigna principal: 20 ºC (07:00 – 22:59)
• Consigna secundaria: 17 ºC

Resultados

Se han analizado los 3 periodos mostrados en la siguiente Tabla:

Se han analizado los siguientes parámetros:

• Consumo calefacción [kWh]
• Potencia máx. folio radiante [kW]
• Temperatura del suelo [ºC]
• Temperatura aire interior [ºC]

Instalación seca: transmitancia térmica, resistencia térmica y capacidad térmica interna

La Tabla y Figura inferior muestra la potencia del folio radiante, la transmitancia térmica total (conforme la UNE-ISO 69446), la resistencia térmica de los materiales por encima del folio, y la capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales por encima del folio (conforme la UNE-ISO 13786), de cada tipo de suelo, con instalación seca.

Instalación húmeda: transmitancia térmica, resistencia térmica y capacidad térmica interna

La Tabla y Figura inferior muestra la potencia del folio radiante, la transmitancia térmica total (conforme la UNE-ISO 69446), la resistencia térmica de los materiales por encima del folio, y la capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales por encima del folio (conforme la UNE-ISO 13786), de cada tipo de suelo, con instalación húmeda.

Instalación seca: Planta 2ª, consumo calefacción, 1 octubre-01 marzo

La Tabla y Figura de abajo muestran los resultados de consumos de calefacción para cada tipo de suelo, con instalación seca.

Los resultados indican que el consumo de calefacción de los suelos 2.1 y 2.2 de gres y cerámica con doble placa de solera seca, es un 20 % más alto que el suelo laminado 1.1 (sistema directo).

El consumo de los suelos 3.1 y 3.2 de gres y cerámica con 1 placa de solera seca, son un 5% y 4% más alto que suelo laminado 1.1. Estas diferencias caen dentro del margen de incertidumbre en los cálculos (alrededor de un 10 %).

1. El consumo de kWh/m2 esta referenciado a la superficie total calefactada de 342,10 m2 ↑

Instalación húmeda: Planta 2ª: consumo calefacción, 1 octubre-01 marzo

La Tabla y Figura de abajo muestran los resultados de consumos de calefacción para cada tipo de suelo, con instalación húmeda.

Los resultados indican que el consumo de calefacción de los suelos 4.1 y 4.2 de gres y cerámica con mortero autonivelante, es un 10 % y 9 % más bajo respectivamente que el suelo laminado 1.2 con mortero autonivelante. Estas diferencias caen dentro del margen de incertidumbre en los cálculos (alrededor de un 10 %).

Instalación seca: Habitación 1, temperatura del suelo & aire interior, potencia folio radiante, y ganancias solares, 14 enero

Las Figuras de abajo muestran la evolución de la potencia del folio radiante, las ganancias solares, la temperatura del suelo, y la temperatura del aire durante el día del 14 enero, para cada tipo de suelo, con instalación seca.

Se indica la potencia máxima del folio radiante y la hora en la que ocurre, y la temperatura máxima del suelo y la hora en la que ocurre (antes de los efectos de la radiación solar).

El rango de consignas de calefacción (20 ºC de 7:00 – 23:00 y 17 ºC el resto de horas) se indica para entender el encendido y apagado del folio radiante. Se muestran las ganancias solares para apreciar las subidas repentinas de la temperatura del aire interior y del suelo cuando el folio esta apagado.

Las Figuras y la Tabla de arriba indican que el desfase temporal entre la potencia máxima del folio radiante y la temperatura máxima del suelo, es de aproximadamente 4 horas para el suelo de madera 1.1, aproximadamente 6 horas para los suelos de gres y cerámica con 2 placas de solera seca y aproximadamente 5 horas con 1 placa de solera seca.

Esto se debe principalmente a que la resistencia térmica y capacidad térmica del suelo de madera 1.1 (sistema directo) es menor que los suelos de gres y cerámica con placa de solera seca, por lo que tarda menos tiempo en calentarse y transmitir calor a la estancia.

Instalación húmeda: Habitación 1, temperatura del suelo & aire interior, potencia folio radiante, y ganancias solares, 14 enero

Las Figuras de abajo muestran la evolución de la potencia del folio radiante, las ganancias solares, la temperatura del suelo, y la temperatura del aire durante el día del 14 enero, para cada tipo de suelo, con instalación húmeda.

Se indica la potencia máxima del folio radiante y la hora en la que ocurre, y la temperatura máxima del suelo y la hora en la que ocurre (antes de los efectos de la radiación solar). Para el suelo de madera 1.2 se ha considerado que la máxima temperatura del suelo debido al calor emitido por el folio ocurre a las 12:00, y que, a partir de esa hora, el aumento de temperatura del suelo se debe a las ganancias solares.

Las Figuras y la Tabla de arriba indican que el desfase temporal entre la potencia máxima del folio radiante y la temperatura máxima del suelo, para los suelos de madera, gres y cerámica con mortero autonivelante, es de aproximadamente 5 horas en los tres casos.

Aunque la capacidad térmica de los materiales encima del folio de los suelos 4.1 y 4.2 es mucho mayor que el suelo laminado 1.2, la resistencia térmica de estos materiales es mucho menor, por lo que la respuesta dinámica de los suelos y consumo de calefacción es similar.

Conclusión

Para las instalaciones en seco analizadas en el estudio, los resultados indican que el suelo laminado tiene un consumo energético menor (entre un 4 % y un 20%) y una respuesta térmica ligeramente más rápida, con los otros tipos de suelo analizados. En el caso de los suelos con instalación húmeda, los resultados indican que el suelo laminado tiene un consumo energético ligeramente mayor (entre un 9% y un 10%) y una respuesta térmica similar a los otros tipos de suelo analizados. En ambos casos, dado el margen de incertidumbre del cálculo, las diferencias son mínimas.

Agradecimientos

Este estudio fue financiado por FINSA.

Agradecemos a Germán Campos de Aurea Consulting por su colaboración.

Imagen de portada: enchux

Cálculo higrotérmico de un muro de entramado con materiales naturales

Frente al impacto ambiental del sector de la construcción- responsable de un 40 % del consumo total de energía primaria de la Unión Europea- reducir tanto la energía embebida de los materiales en la fase de fabricación, como el consumo energético de los edificios en su fase de uso- son tareas urgentes. La madera, los residuos agrícolas, y los materiales lignocelulósicos, son recursos renovables locales que se pueden aprovechar para fomentar la economía circular y reducir el impacto ambiental del sector. El presente artículo muestra un ejemplo de un panel prefabricado estructural aislante, hecho con materiales de origen biológico, para edificios de nueva construcción de consumo casi nulo.

Resultados de monitorización y validación

Figura 4 muestra una sección transversal del panel modelado, con la ubicación de los sensores. La Figura 5 muestra el modelo WUFI del panel y las ubicaciones de los sensores correspondientes.

La Figura 6 muestra la temperatura medida y modelada y la humedad relativa en la posición 2 (entre el aislamiento rígido CAVAC y el aislamiento Biofib Trio). Las variaciones dinámicas de temperatura se reflejan bien en el modelo. Las variaciones dinámicas de humedad relativa menos. No obstante, el modelo muestra una correlación muy estrecha con los resultados medidos.

La Figura 7 muestra los valores medidos y simulados en la posición 3 (entre el aislamiento Biofib Trio y la placa OSB). Las variaciones dinámicas de temperatura se reflejan bien en el modelo, aunque menos con la humedad relativa.

Figura 8 muestra los valores medidos y simulados en la posición 4 (entre la membrana Intello y el aislamiento Biofib Trio). Las variaciones dinámicas tanto de la temperatura como de la humedad relativa se reflejan bien en el modelo.

Figura 9 muestra el flujo de calor medido, en comparación con las simulaciones en WUFI. Los resultados muestran una muy buena correlación.

Conclusiones

Los resultados de la temperatura y humedad relativa medidas y modeladas muestran una buena correlación, con variaciones dinámicas de temperatura reflejadas con precisión en el modelo. Las variaciones a corto plazo de la humedad relativa no se reflejan con la misma precisión en las simulaciones con WUFI, posiblemente debido a la suposición que el contenido de agua en equilibrio de los materiales es instantáneo, cuando en realidad hay histéresis [3]. Los datos de transmitancia térmica modelados y medidos muestran una muy buena correlación, con una diferencia de solo un 4% durante el período de monitorización.

Los resultados indican que los materiales de origen biológico combinados en un panel estructural aislante de este tipo, pueden ofrecer un rendimiento higrotérmico predecible y fiable para su uso en edificios de consumo casi nulo.

Referencias

• ISO 9869-1:2014 Thermal Insulation – Building elements – in-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance. (Aislamiento térmica – elementos constructivos – medición in-situ de la resistencia térmica y transmitancia térmica)
• UNE-EN 15026:2007, Comportamiento higrotérmico de componentes de edificios y elementos constructivos. Evaluación de la transferencia de humedad mediante simulación numérica.(Ratificada por AENOR en junio de 2010.)
• N. Reuge, F. Collet, S. Pretot, S. Moisette, M. Bart, O. Style, A. Shea, C. Lanos 2019, Hygrothermal transfers through a bio-based multilayered ISOBIO wall – Part I: Validation of a local kinetics model of sorption and simulations of the HIVE demonstrator. Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique, Axe Ecomatériaux pour la construction, Université de Rennes, 3 rue du Clos Courtel, BP 90422, 35704 Rennes, France.

Artículo completo

Puedes leer más sobre ISOBIO: Cálculo higrotérmico y validación de un panel aislante estructural con materiales de origen biológico en el portal Caloryfrio.com, de donde hemos extractado este artículo.

Casa #SgPi: vivienda Passivhaus Premium en Sant Pere de Ribes

¿Qué haces cuando te encuentras con la estructura existente de una casa, remanente de la burbuja inmobiliaria del 2007, que dejó esqueletos de edificios repartidos por toda la Península Ibérica?

Fácil: ¡La aprovechas y la conviertes en una casa Passivhaus Premium! Una vivienda Passivhaus Premium genera (mediante instalaciones de energías renovable in-situ y/o ex-situ), de 3 a 4 veces más energía de la que consume, ofreciendo un confort térmico óptimo, una calidad de aire impecable y facturas energéticas absurdamente bajas. ¿Suena imposible? Pues aquí se ha hecho realidad…

Casa #SgPi es una vivienda diseñada por el arquitecto y Passivhaus Designer Sergi Gargallo de SgARQ Passivhaus Architecture, y certificada por Oliver Style de Praxis Resilient Buildings. La vivienda cuenta con ventanas de PVC, modelo Afino One de la marca Weru, equipadas con vidrios triples, bajo emisivos, con gas argón y espaciadores aislantes, ofreciendo un excelente aislamiento térmico y acústico. “Cuando cerramos todas las ventanas, ¡el silencio dentro de casa es impresionante!”, nos cuenta Edu Altés, co-promotor de la vivienda y CEO de Prot Energía, a cargo de la instalación fotovoltaica en la cubierta de la vivienda que genera 11.313 kWh/año de energía renovable. Vinculada a la vivienda, pero ex-situ, Prot Energia ha realizado otra instalación fotovoltaica nueva- de su propiedad (requisito indispensable para que se pueda contabilizar en la certificación Premium)- que genera 10.609 kWh/año, sumando un total de 21.922 kWh/a. Está previsto que la casa consuma un total de 6.864 kWh/a. ¿Qué quiere decir? Quiere decir que, en el balance de 1 año, se generará 3,2 veces más energía de la que consume la casa.

La calidad de aire es otra de las cosas que destacan los propietarios de esta vivienda.

Eso se consigue mediante el sistema de ventilación mecánica de doble flujo con recuperación de calor, que asegura una renovación constante de aire fresco con una óptima calidad; al mismo tiempo que recupera el calor del aire de salida para precalentar el aire entrante, reduciendo así la demanda energética de calefacción en invierno. En verano, cuando la refrigeración está encendida, el proceso se invierte y el recuperador enfría el aire entrante. Cuando la temperatura exterior está por debajo del interior, se abre automáticamente el bypass, para ofrecer un “free-cooling”, lo cual también ayuda a reducir el consumo de aire acondicionado.

Se consiguió un excelente resultado en el ensayo de hermeticidad al aire “Blower Door”, de n50 = 0,2 ren/h, 3 veces por debajo del límite que exige la certificación Passivhaus de n50 ≤ 0,6 ren/h.  Típicamente una vivienda de nueva construcción con certificación energética “A” tendrá un nivel de permeabilidad al aire de entre 3 ren/h a 6 ren/h a 50 Pa. Esto quiere decir que- por un lado- no hay corrientes aire de aire frío en invierno, que generan disconfort y aumentan la factura energética, y- por otro- no entra aire caliente y húmedo en verano.

Desde Praxis Resilient Buildings estamos muy orgullosos de haber podido certificar esta vivienda con la clase de certificación más alta del estándar Passivhaus: ¡Premium! Nuestra más sincera enhorabuena a todas las personas y empresas que participaron en el proyecto y en la obra: conseguir la certificación Passivhaus no es fácil, pero se consigue mediante un trabajo detallista, riguroso… y, sobre todo, ¡trabajando en equipo!

¿Quieres una casa pasiva certificada Passivhaus?, contacta con nosotros mediante este formulario

Fotos: Joan Giribet & Timo Hoek

Base de datos Proyectos Passivhaus Internacional: https://www.plataforma-pep.org/ejemplos-ph/casa-sgpi/

Base de datos Proyectos Passivhaus PEP España: https://passivehouse-database.org/index.php#d_7297