Evaluación energética: EVALUACIÓN ENERGÉTICA DEL SISTEMA SICOLBLOCK EN VIVIENDAS UNIFAMILIARES
1. INTRODUCCIÓN
Este documento nace del interés presentado por Sicolblock en la evaluación del sistema. Dicho interés surge de la necesidad de ofrecer garantías técnicas en cuanto al correcto funcionamiento del bloque en su integración en edificios de baja altura.
Endef Energy cuenta con experiencia en el diseño y la evaluación energética de edificios, así como en la optimización de sus técnicas de construcción y de sus materiales empleados. Por ello, se procede a la realización del presente estudio que constará de varios capítulos, los cuales se irán integrando conforme se vaya avanzando. Como resultado de ello, se entregará un informe final en el que se obtengan conclusiones y recomendaciones referentes al tema central del estudio. Este informe permitirá disponer de evidencias científicas que le aporte garantías técnicas frente a su comercialización.
El estudio que se presenta a continuación parte de una visión local (bloque EPS) y se va desarrollando hasta alcanzar una visión global (urbanización). Para ello, el siguiente apartado caracteriza técnicamente el sistema Sicolblock mediante diversas técnicas de análisis con el fin de poder evaluar posteriormente su integración en una vivienda unifamiliar y las implicaciones de ésta, en la planificación urbanística.
Gracias al conocimiento científico del que se dispone en el área de la evaluación energética de edificios y urbanizaciones mediante modelos dinámicos, Endef Energy aporta al presente estudio puntos claves que permiten mejorar la arquitectura bioclimática de una vivienda. Gracias a éstos, los técnicos de podrán desarrollar viviendas destinadas al mínimo consumo energético. A su vez, se establecerán criterios que permitan la reducción del consumo energético en urbanizaciones desde el punto de partida, el diseño eficiente.
Este trabajo ha sido desarrollado por el equipo de ingenieros de EndeF Energy y dirigido por el Profesor del Centro Politécnico Superior (CPS) de la Universidad de Zaragoza, Alejandro del Amo.
1. ESTUDIO DEL SISTEMA SICOLBLOCK
El estudio energético del cerramiento con bloques en EPS requiere de un análisis en detalle del propio cerramiento en el que se evalúen sus propiedades térmicas más representativas como son la transmitancia térmica (variable que informa de la cantidad de calor que se transfiere se una cara a otra del cerramiento cuando en este existe un gradiente térmico), la densidad y calor específico (variables muy ligadas al concepto de inercia térmica).
Una vez conocidos estos parámetros, el cerramiento puede ser evaluado mediante un modelo de transferencia de calor basado en elementos finitos (análisis FEM), mediante el cual se pueden comparar cualitativamente y de forma muy intuitiva, diferentes tipologías de cerramientos. Dicho análisis, el cual se presenta en las secciones 2.1.2. y 2.2, permitirá la comprobación de la existencia o no de puentes térmicos, cuyos resultados serán presentados de manera gráfica en la sección 2.1.3. Posteriormente se realizará un estudio de condensaciones requerido para demostrar la su inexistencia en el interior del cerramiento. Este es vital para evitar la reducción de la capacidad portante de la estructura a largo plazo.
1.1. Evaluación energética del sistema Sicolbloc
1.2.
1.2.1. Parámetros técnicos
El cerramiento del sistema está compuesto por dos materiales: EPS y hormigón. Para el cálculo de las propiedades del bloque en su conjunto, se ha partido de las propiedades individuales de cada material. Las más significativas son: el coeficiente de conductividad térmica (λEPS= 0,035 W/m²K - según datos facilitados por Arplamosa del modelo CELUPOR-SUP (EPS-250) , λhormigón= 1,65 W/m²K), de forma semejante las densidades (ρEPS= 25 kg/m³, ρhormigón= 1600 kg/m³) y el calor específico (CpEPS= 1000 J/kgK, Cphormigón= 850 J/kgK). En el caso concreto de la transmitancia térmica del material, su valor no es el valor proporcional al promedio de los materiales, sino que para su cálculo se requiere hacer una resistencia equivalente (igual a la suma de sus inversas) semejante a los circuitos eléctricos, debido a que el hormigón y el aislamiento están en paralelo en la zona central.
A modo de síntesis, el cálculo de la transmitancia se refleja mediante estas 3 ecuaciones:
(1) 
(2) 
(3)
La singularidad de esta cerramiento en el que no solo es un sistema multicapa convencional, sino que tiene uniones entre varias capas de diferente conductividad térmica, exige realizar un estudio más detalla que el que se realiza comúnmente. Por ello, el siguiente proceso detalla el proceso utilizado para el cálculo de la transmitancia total del sistema Sicolblock.
A partir del método de cálculo desarrollado anteriormente, las propiedades del material, necesarias para evaluar su comportamiento térmico en edificios son:
Transmitancia térmica, U = 0,391 W/m²K
Densidad, ρ = 871,52 kg/m³
Calor específico, Cp = 919,6 J/kgK
2.2.2. Análisis FEM
El análisis de elementos finitos realizado consiste en la discretización del dominio geométrico (sistema Sicolblock y aire interior-exterior) en elementos lo suficientemente pequeños como para poder evaluar el conjunto sin perder información. Dicho proceso es optimizado en la frontera sólido-fluido para conseguir un mayor nivel de detalle, minimizando así el error en la transferencia de calor sólido-fluido. En concreto el bloque, cuyas características se adjuntan en el anexo I, ha sido discretizado como se muestra a continuación:
Fig. 1: Mallado del sistema Sicolblock
A partir de este modelo, se desarrolla un cálculo multidimensional de transferencia de calor en régimen estacionario (basado en las ecuaciones de Laplace y Fourier). Para poder representar un cerramiento lo más cercano a la realidad, se ha aplicado unas condiciones de contorno con 40º de gradiente térmico entre el aire interior y exterior (Texterior= 10ºC, Tinterior= 50ºC) que permiten mostrar el comportamiento estático de la pieza. Estas condiciones, lejos de las temperaturas de confort de la vivienda, permiten obtener mayor detalle en los resultados, los cuales se presentan a continuación:
Fig. 2: Sistema Sicolblock
Fig. 3: Vista A - Perfil de temperaturas Fig. 4: Vista A – Flujo de calor
Tal y como representa la figura 3, mediante su escala de colores, la zona caliente (interior de la vivienda) pierde rápidamente temperatura conforme avanza en los primeros mm. del aislamiento, llegando al principio del hormigón con una temperatura bastante baja. Posteriormente, el hormigón tiene una temperatura bastante estable y en la zona de aislamiento más cercano al exterior casi no hay diferencia de temperaturas a causa de que casi no hay “calor que perder”. Esto se vuelve a comprobar en la figura 4, donde se aprecia en colores cálidos la pérdida importante de calor y en colores fríos la efectividad del aislamiento. Esta figura acredita que; un cerramiento, sólo con el aislamiento entre el interior de la vivienda y el hormigón central, no sería efectivo, ya que el hormigón no es aislante. Sin embargo, añadiendo el aislamiento entre el hormigón central y el exterior se consigue de una forma muy efectiva el objetivo final, aislar. A modo de ejemplo y para el buen entendimiento de la gráfica 4; por el hecho de estar en azul la cara exterior, ante una nevada, la nieve no se derretiría. Sin embargo, si estuviese en rojo sí se derretiría porque habría un flujo de calor que la fundiría. En los países nórdicos, se observan rápidamente los edificios con buen aislamiento, pues en la época invernal, mantienen la nieve en sus paredes y tejados (salvando cuestiones constructivas).
Los valores obtenidos en las gráficas han sido corroborados mediante métodos de cálculo analíticos que permiten una buena aproximación al resultado.
Si evaluamos la sección del bloque, tomando como referencia la perspectiva B, obtenemos dos perfiles de temperaturas diferentes. El primero (Fig. 5) corresponde a la sección que presenta un aislamiento central conectando los dos aislamientos perimetrales. Su figura correspondiente (Fig. 6) indica las curvas de temperatura en dicha sección. La tercera imagen (Fig. 7) corresponde a la sección con bloque central continuo de hormigón entre ambos aislamientos.
Fig. 5: Vista B – Perfil de temperaturas con puente Fig. 6: Vista B – Curvas de temperaturas con puente Fig. 7: Vista B – Curvas de temperaturas sin puente
Estas figuras corroboran el argumento anterior. Comparando la figura 5 y la 7 vemos que el aislamiento que une ambos extremos, mantiene el color que indica mayor temperatura. Esto significa que no se ha perdido como sucede en el caso de la figura 7. Adicionalmente, la figura 6 muestra las curvas de temperatura en las cuales se puede apreciar como en la zona de aislamiento hay mayor temperatura, lo que implica una menor pérdida de calor.
2.2.3. Estudio de puentes térmicos
Una de las principales causas de la aparición de humedades y el elevado consumo energético en las viviendas son los puentes térmicos. Éstos son fácilmente detectables mediante cámaras termográficas. El puente térmico es una vía de escape del calor interior de la vivienda, lo cual provoca que su pared interior esté más fría que el resto y por lo tanto se pueda alcanzar la temperatura de condensación con la consiguiente creación humedades.
En este estudio se van a evaluar los puentes térmicos más importantes que se encontrarán en la vivienda. Éstos son un frente de forjado y una esquina.
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