Transferencia de aire a través de la envolvente; paramétros olvidados de la eficiencia energética

(6 votos, media: 5,00 de 5)
Cargando…
transferencia-aire-envolvente-arquitectonica
07/11/2019

Con frecuencia la eficiencia energética de los edificios se centra en aspectos como la incorporación de energías “limpias” o sistemas más o menos eficientes o la disponibilidad de protección térmica (aislamiento) o protección solar y desgraciadamente se omiten algunos parámetros básicos, como la transferencia de aire a través de la envolvente, que solo pueden tomarse en consideración en fases iniciales del diseño arquitectónico.

En este artículo trataremos de analizar un aspecto que es importante en el control de la eficiencia energética de los edificios.

La transferencia de aire entre el interior y el exterior provoca una pérdida de calor (en régimen de invierno) o una ganancia (en régimen de verano), esta transferencia de calor provoca un aumento indeseado e incontrolado de la demanda energética (y consecuentemente del consumo).

Conviene no confundir la estanquidad del edifico y la infiltración de aire que ello provoca con la ventilación necesaria por cuestiones higiénicas o de calidad de aire interior, desgraciadamente el Código Técnico de la Edificación y las herramientas reglamentarias no ayudan a efectuar esta distinción de forma correcta.

Transferencia de aire: componentes

La transferencia de aire debe desglosarse en dos componentes:

  • La infiltración que se produce de forma “descontrolada” a través de los defectos de estanquidad de los elementos de la envolvente. Este caudal de aire es solo dependiente de la calidad de la envolvente (estanquidad al aire) y en rigor de la velocidad del viento y su dirección, como que raramente se dispone de información climática fiable sobre la velocidad del viento y dirección suele considerarse como un valor constante a lo largo del tiempo.
  • La ventilación es una cantidad de aire que se introduce de forma “controlada” (ya sea mediante sensores y medios mecánicos o simplemente con la abertura de ventanas a criterio de los usuarios). Este caudal es dependiente de la tasa de ocupación del edifico (considerando a las personas como principal fuente de CO2 emitido durante la respiración).

Desde un punto de vista energético es obvio que lo ideal sería que la transferencia de aire (de calor) fuese lo más baja (lo más próxima a cero) posible pero debería ser suficiente para mantener el ambiente interior dentro de los parámetros higiénicos o de calidad de aire.

La infiltración al ser independiente de la ocupación (que es la principal fuente de emisión de contaminantes) y al ser su caudal “aleatorio” dependiendo de la velocidad del viento y su dirección es poco probable que las condiciones climáticas se den de forma favorable y simultánea a las necesidades para diluir los contaminantes emitidos por las personas consecuentemente la infiltración no es útil para controlar la calidad del aire interior.

La ventilación si puede modularse según las necesidades impuestas por el uso del edifico ya sea de forma automática (domótica) o simplemente manual (sentido común de los usuarios) y por lo tanto es eficaz para controlar la calidad del aire interior.

En este ejemplo trataremos de analizar las dos variables de infiltración y ventilación y sus consecuencias tanto desde un punto de vista energético como de calidad de aire interior.

Metodología

Para este estudio tomaremos como ejemplo una vivienda unifamiliar de planta baja y piso en la que calcularemos la demanda energética de calefacción y refrigeración así como el indicador de calidad de aire interior concentración de CO2 en ppm

La superficie acondicionada resulta ser de 139,50 m2.

vivienda-unifamiliar-transferencia-aire

Construcción
Fachada ½ pie ladrillo perforado con trasdosado PYL (aislamiento 60+60 mm R= 3,30 m2K/W)
Huecos en fachada Vidrio 4-6-4. Carpintería de aluminio con rotura de puente térmico > 12mm
Cubierta Cubierta con entramado de madera con aislante de 240mm con R= 6,00 m2K/W
Suelo Solera sobre el terreno con 60 mm de aislante con R= 1,75 m2K/W

Perfiles ocupacionales

Se utilizan los perfiles ocupacionales definidos en el Anejo D: Condiciones Operacionales del Documento Básico HE : Ahorro de Energía (borrador de 2018)

cuadro-condiciones-operacionales

Infiltración de aire
  • 0 ACH
  • 0,2 ACH
  • 0,4 ACH
  • 0,6 ACH
Infiltración de aire nocturna en las noches de verano
  • 4 ACH
Ventilación dependiendo de la ocupación de personas
  • 3 l/s/persona
  • 4 l/s/persona
  • 5 l/s/persona

Protección solar

el edificio dispone de una protección solar mediante persianas móviles que se activan a un 30% durante los meses de verano siempre que la radiación solar incidente sobre el hueco sea superior a 75 W/m2.

Una vez definido el módulo de estudio se efectuaran los cálculos de demanda energética de calefacción y refrigeración en 4 emplazamientos climáticos (Barcelona / Madrid/ Burgos / Sevilla) para representar diferentes severidades climáticas.

Para el cálculo se ha usado el motor de cálculo Energy Plus con OpenStudio como interfaz de entrada y la herramienta JEplus para los cálculos paramétricos.

Los parámetros considerados son 4 emplazamientos, 4 tasas de infiltración de aire y 3 niveles de ventilación lo que conduce a 48 simulaciones.

Interpretación de los resultados de calidad del aire interior

Para una interpretar los resultados de calidad de aire interior se considera como referencia los requisitos impuestos por el DB HS3

Referencia para evaluar la calidad del aire interior

Los cálculos permiten determinar a nivel horario la calidad del aire interior (suponiendo que la sola fuente de contaminantes es la ocupación de las personas) que establece la modificación del DB HS de 23 de Junio de 2017 que indica que el valor medio anual de la concentración de CO2 no debe ser superior a 900 ppm y que el acumulado anual que exceda de 1.500 ppm no debe ser superior a 500.000 ppm/h

grafico-referencia-calidad-aire-interior

Podemos pues considerar que aquellas soluciones que mantengan la concentración de CO2 en el aire de forma continuada entre 900 y 1500 ppm serán adecuadas, que superiores al rango anterior conducirán a calidades de aire interior insuficientes y que valores inferiores conducirán a demandas energéticas excesivas y por lo tanto no eficientes desde un punto de vista energético.

Resultados calidad aire interior

Con las hipótesis consideradas los valores de concentración de CO2 se pueden representar según los gráficos siguientes.

Estanquidad excelente; calidad aire mínima

Para una estanquidad “Excelente” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0 ACH

Para una calidad de aire “Mínima” se considera una tasa de ventilación de 3l/s/persona.

grafico-promedio-calidad-aire
Valor promedio 1060 ppm / Valor mínimo 416 ppm / Valor máximo 1271 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma estable dentro del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad excelente; calidad aire normal

Para una estanquidad “Excelente” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0 ACH

Para una calidad de aire “Normal” se considera una tasa de ventilación de 4 l/s/persona

 

grafico-promedio-calidad-aire-invierno
Valor promedio 907 ppm / Valor mínimo 415 ppm / Valor máximo 1057 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma estable dentro del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad excelente; calidad aire buena

Para una estanquidad “Excelente” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0 ACH

Para una calidad de aire “Buena” se considera una tasa de ventilación de 5 l/s/persona

 

grafico-promedio-calidad-aire-buena
Valor promedio 814 ppm / Valor mínimo 415 ppm / Valor máximo 933 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma estable dentro del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad buena; calidad del aire mínima

Para una estanquidad “Buena” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,2 ACH

Para una calidad de aire “Mínima” se considera una tasa de ventilación de 3 l/s/persona

 

graffico-promedio-cai-minima
Valor promedio 682 ppm / Valor mínimo 415 ppm / Valor máximo 849 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad buena; calidad aire normal

Para una estanquidad “Buena” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,2 ACH

Para una calidad de aire “Normal” se considera una tasa de ventilación de 4 l/s/persona

grafico-promedio-cai-normal
Valor promedio 649 ppm / Valor mínimo 418 ppm / Valor máximo 786 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  muy por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad buena; calidad aire buena

Para una estanquidad “Buena” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,2 ACH

Para una calidad de aire “Buena” se considera una tasa de ventilación de 5 l/s/persona.

grafico-promedio-cai-buena
Valor promedio 624 ppm / Valor mínimo 414 ppm / Valor máximo 739 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad normal; calidad aire mínima

Para una estanquidad “Normal” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,4 ACH

Para una calidad de aire “Mínima” se considera una tasa de ventilación de 3 l/s/persona.

promedio-cai-estanquidad-normal-minima
Valor promedio 583 ppm / Valor mínimo 414 ppm / Valor máximo 701 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad normal; calidad aire normal

Para una estanquidad “Normal” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,4 ACH

Para una calidad de aire “Normal” se considera una tasa de ventilación de 4 l/s/persona.

grafico-promedio-estanquidad-normal-cai-normal
Valor promedio 568 ppm / Valor mínimo 414 ppm / Valor máximo 672 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad normal; calidad aire buena

Para una estanquidad “Normal” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,4 ACH

Para una calidad de aire “Buena” se considera una tasa de ventilación de 5 l/s/persona.

grafico-promedio-cai-estanquidad-normal-buena
Valor promedio 556 ppm / Valor mínimo 414 ppm / Valor máximo 647 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad mala; calidad aire mínima

Para una estanquidad “Mala” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,6 ACH

Para una calidad de aire “Mínima” se considera una tasa de ventilación de 3 l/s/persona.

estanquidad-mala-cai-minima
Valor promedio 536 ppm / Valor mínimo 413 ppm / Valor máximo 627 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad mala; calidad aire normal

Para una estanquidad “Mala” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,6 ACH

Para una calidad de aire “Normal” se considera una tasa de ventilación de 4 l/s/persona.

estanquidad-mala-cai-normal
Valor promedio 528 ppm / Valor mínimo 413 ppm / Valor máximo 609 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Estanquidad mala; calidad aire buena

Para una estanquidad “Mala” se puede considerar una tasa de infiltración cercana a 0,6 ACH

Para una calidad de aire “Buena” se considera una tasa de ventilación de 5 l/s/persona.

estanquidad-mala-cai-buena
Valor promedio 520 ppm / Valor mínimo 413 ppm / Valor máximo 594 ppm

Para los meses de “invierno” la calidad de aire interior se mantiene de forma inestable  extremedamente por debajo del rango aceptable.

Para los meses de “verano” (durante las noches) el edifico se ha “hiperventilado” para favorecer la disipación de calor y minimizar el sobrecalentamiento.

Conclusiones

La calidad de aire interior es independiente de la zona climática (depende solo del uso y de la contaminación del aire exterior que se ha supuesto constante de 400 ppm).

Nótese que la oscilación de la concentración de CO2 en el aire interior es bastante grande cuando la estanquidad al aire no es excelente (tanto más cuanto mayor es la tasa de infiltración).

En ningún caso se superan los 1.500 ppm por lo que el requerimiento incluido en el DB HS del Código Técnico sobre el acumulado excedente de 1.500 ppm es innecesario cuando existe una ventilación acorde a la tasa de ocupación (lo que permite concluir la mala formulación de este requerimiento).

Establecer como hace el DB HS un valor “promedio” anual sin tomar en consideración el rango de oscilación es en sí un error “de concepto” ya que un periodo de mala calidad de aire no se debería poder “compensar” con un periodo de buena calidad de aire.

Solo en edificios híper-estancos se puede mantener una calidad de aire estable y aceptable si se dispone de un caudal de ventilación “suficiente”.

Resultados demanda energética y calidad del aire interior

 

grafico-demanda-energetica

Se aprecia claramente que la demanda energética de calefacción está muy influenciada por la tasa de transferencia de aire (infiltración + ventilación) mientras que la demanda de refrigeración está poco afectada por la misma.

Solo en edificios híper-estancos (infiltración casi nula) la calidad de aire se puede mantener estable y dentro de los límites tolerables con demanda de energía mínima.

En edificios con mala o muy mala estanquidad el aumento de demanda de calefacción se hace insostenible y no es posible mantener una calidad de aire interior estable.

Deberá pues diseñarse el edifico para que la estanquidad sea máxima y dimensionar la ventilación (idealmente con recuperación de calor) para garantizar la correcta calidad de aire interior.

Conclusiones finales

  • La infiltración de aire debida a la falta de estanquidad no puede modularse en función de las necesidades ya que en realidad depende de la velocidad y dirección del viento y no de la ocupación por lo que es nada probable que pueda usarse eficazmente para asegurar la estabilidad de la calidad del aire interior ya que el caudal de aire será máximo cuando no hace falta e insuficiente cuando sea necesario, contrariamente la ventilación se puede modular y adaptar en función de las necesidades reales del uso del edificio.
  • La estanquidad al aire de los edificios deberá ser tan alta como sea constructivamente posible para minimizar la demanda y el consumo energético manteniendo la calidad de aire estable gracias a la ventilación acorde a las necesidades de los usuarios.
  • La conclusión anterior es tanto más cierta como más “rigurosa” y “larga” sea la temporada de calefacción (severidad climática de invierno).
  • La formulación “prestacional” (y mucho menos la formulación prescriptiva!) del DB HS no son suficientes para garantizar la calidad de aire de los edificios minimizando la demanda energética por lo que los proyectistas harían bien en analizar con detalle el binomio demanda energética y calidad de aire interior (primando principalmente la estabilidad de la calidad de aire por encima de los valores “promedio”)
  • Desgraciadamente las herramientas reglamentarias no permiten efectuar este tipo de consideraciones y debe acudirse a simulaciones energéticas que vayan más allá de la simple reglamentación.

1 comentario en “Transferencia de aire a través de la envolvente; paramétros olvidados de la eficiencia energética”

  1. Avatar
    LAUDELINO J. SCHEZ DE LEÓN LINARES

    Muchas gracias Josep por tus buenas y grandes apreciaciones. Sólo dos comentarios, uno es que casi siempre, por desgracia, se busca el camino fácil para hacer las cosas, rápido y económico, sin importar las consideraciones que tan bien indicas. El segundo comentario es que la tendencia general es: «como se consigue un buen resultado con las herramientas oficiales eso implica edificios con alta calidad del aire interior y alta eficiencia energética», demasiado pobre el razonamiento pero en general parece que logrando la famosa «A» en la calificación ya está todo solucionado. Sólo con el análisis más exhaustivo, realmente realizando una estanqueidad elevada al edificio, incluso con ensayos Blower Door Test, viendo como optimizar energéticamente, se puede decir que un edificio se puede considerar eficiente y más sano. El problema es que se iguala esto último a un edificio que tenga calificación energética tipo A cuando puede distar, bastante, uno de otro.

Dejar un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

¿Quieres hacer alguna consulta a nuestros ingenieros de instalaciones?
Intentaremos responderte en menos de 2 horas