Estrategias para lograr Edificios de Consumo de Energía casi Nulo - NZEB. Edificios con uso residencial vivienda en el clima cálido mediterráneo

Abstract

Uno de los retos más importantes de la sociedad actual está relacionado con la mitigación y la adaptación al cambio climático. Para ello, debemos trabajar en la reducción del consumo de energía asociado a todas las actividades humanas y en maximizar el empleo de fuentes de energía renovables. Según la Comisión Europea, el 41% del consumo de energía en la Unión se produce en los edificios. En España dicho consumo representa el 31,9% del total, dividiéndose en un 18,3% en los edificios con uso residencial vivienda y en un 13,6% en los del sector terciario. Para mejorar los edificios, la Unión Europea estableció la exigencia de que todos los edificios construidos a partir del 1 de enero de 2021 sean de Consumo de Energía casi Nulo o NZEB. Para lograr que los edificios con uso residencial vivienda sean NZEB, existente diversas estrategias que fundamentalmente pasan por la reducción de las demandas de energía de calefacción y refrigeración, mediante la mejora de la calidad térmica de la envolvente térmica (alto nivel de aislamiento térmico; marcos y vidrios altamente aislantes; eliminación de puentes térmicos; ventilación mecánica; control solar; estanqueidad al aire) y también por la mejora de la eficiencia energética de las instalaciones térmicas y el empleo de energías renovables. La mayoría de las estrategias indicadas son tecnologías ya desarrolladas y probadas suficientemente por la industria de la construcción. Sin embargo, siguen existiendo dos puntos débiles: el tratamiento adecuado de los puentes térmicos y la mejora de la hermeticidad al aire de los edificios. Esas son las dos líneas de investigación que se analizan en el trabajo llevado a cabo en esta tesis. Para la estrategia de mejora de los puentes térmicos se analiza en detalle aquellos que generan un mayor flujo de calor y, en consecuencia, los que tienen más impacto en la demanda energética de los edificios. Se trata de los puentes térmicos generados por el encuentro de fachadas y forjados intermedios: puentes térmicos de frentes de forjado. En todas los casos analizados la solución de fachada es la tradicional en el sur de Europa: doble hoja cerámica con aislamiento térmico intermedio. Se analizan dos situaciones: fachadas con hoja exterior de ladrillo cerámico caravista y fachadas con acabado exterior de mortero monocapa. Para las primeras se han diseñado tres medidas de mejora y para las segundas una medida de mejora. El proceso de análisis se ha realizado en dos etapas. En la primera se estudia la reducción del valor de transmitancia térmica lineal del puente térmico realizando un cálculo por elementos finitos mediante el software THERM y en la segunda se estudia el impacto en la reducción de los indicadores de edificios NZEB realizando simulaciones energéticas en tres ciudades española (Alicante, Barcelona y Madrid) mediante el software Energy Plus. Para seleccionar dichas ciudades se ha utilizado el criterio de aquellas cuyas zonas climáticas tengan el mayor número de viviendas ya construidas y el mayor número de viviendas construidas anualmente. En el caso de las fachadas con hoja exterior caravista, la máxima reducción alcanzada en los indicadores NZEB es la siguiente: • Alicante (zona climática B4): 22,6% en la demanda de calefacción (primer indicador); 20,4% en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 20,7% en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 21,1% en las emisiones de CO2. • Barcelona (zona climática C2): 18,5% en la demanda de calefacción (primer indicador); 15,5% en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 16,0% en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 16,4% en las emisiones de CO2. • Madrid (zona climática D3): 16,1% en la demanda de calefacción (primer indicador); 14,4% en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 14,6% en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 14,9% en las emisiones de CO2. La reducción en el valor de la transmitancia térmica lineal interior Ψi del puente térmico se sitúa entre un 20% y un 63,4%. En el caso de las fachadas con acabado exterior de mortero monocapa, la reducción lograda en dichos indicadores es: • Alicante (zona climática B4): 30% en la demanda de calefacción (primer indicador); 20,1% en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 21,3% en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 22,7% en las emisiones de CO2. • Barcelona (zona climática C2): 21% en la demanda de calefacción (primer indicador); 18,7% en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 19,1% en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 19,5% en las emisiones de CO2. • Madrid (zona climática D3): 19,8% en la demanda de calefacción (primer indicador); 17,7% en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 18% en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 18,4% en las emisiones de CO2. La reducción en el valor de la transmitancia térmica lineal interior Ψi del puente térmico se sitúa entre un 47,3% y un 75,4%. Para la estrategia de mejora de la hermeticidad al aire de los edificios se han realizado 111 ensayos Blower Door en viviendas construidas entre los años 2020 y 2022 para caracterizar los edificios de nueva construcción. Además, se ha planteado dos medidas de mejora en la hermeticidad y se ha aplicado en varias de las viviendas repitiendo el ensayo Blower Door. Con esos datos, se ha estudiado el impacto en la reducción de los indicadores NZEB realizando simulaciones energéticas en las tres ciudades españolas indicadas mediante el software Energy Plus. La tasa de renovación de aire con una diferencia de presión de 50 Pa o n50, obtenida mediante los ensayos Blower Door, tiene un valor medio, para las viviendas construidas con la práctica habitual, de 11,04 h-1. Con las dos mejoras planteadas se logran valores medios de 5,38 h-1 (reducción del 51,3 %) y de 1,09 h-1 (reducción del 90,1 %). Aplicando el valor medio de hermeticidad de 1,09 h-1, la reducción alcanzada en los indicadores NZEB es la siguiente: • Alicante (zona climática B4): 27,7 % en la demanda de calefacción (primer indicador); 21,7 % en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 22,5 % en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 23,3 % en las emisiones de CO2. • Barcelona (zona climática C2): 24,8 % en la demanda de calefacción (primer indicador); 23,4 % en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 23,6 % en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 23,8 % en las emisiones de CO2. • Madrid (zona climática D3): 23,4 % en la demanda de calefacción (primer indicador); 22,0 % en el consumo de energía primaria total (segundo indicador); 22,2 % en el consumo de energía primaria no renovable (tercer indicador) y 22,5 % en las emisiones de CO2. Como conclusión final se puede indicar que las dos estrategias analizadas y el diseño de mejoras constructivas para ellas, contribuye a alcanzar los indicadores NZEB de los edificios con uso residencial vivienda.

One of the most important challenges of today's society is related to how to mitigate and adapt to the effects of climate changes. To this end, we must work to reduce the energy consumption associated with all human activities and to maximize the use of renewable energy sources. According to the European Commission, buildings account for 41% of energy consumption in the EU. In Spain, this consumption represents 31.9% of the total, 18.3% in residential buildings and 13.6% in the tertiary sector. In order to improve buildings, the European Union established the requirement that all buildings constructed from 1 January 2021 must be Nearly Zero-Energy Building or NZEB. In order to achieve NZEB for residential buildings, there are various strategies in place, mainly involving the reduction of heating and cooling energy demands by improving the thermal quality of the thermal envelope (high level of thermal insulation; highly insulating window frames and glazing; elimination of thermal bridges; ventilation; solar control; air tightness) and also by improving the energy efficiency of the HVAC systems and the use of renewable energies. Most of the above strategies are technologies that have already been sufficiently developed and tested by the building industry. However, there are still two weak points: the adequate treatment of thermal bridges and the improvement of the air tightness of buildings. These are the two lines of research that are analyzed in the work carried out in this thesis. With regard to the strategy for improving thermal bridges, a detailed analysis is made of those that generate the greatest heat flow and, consequently, will have the greatest impact on the energy demand of buildings. These are the thermal bridges generated by the junction of façades and intermediate slabs: thermal bridges of slab fronts. In all the cases analyzed, the façade solution is the type traditionally used in southern Europe: double ceramic brick with intermediate thermal insulation. Two situations are analyzed: façades with an external face brick and façades with a singlecoat mortar exterior finish. Three improvement measures have been designed for the former and one for the latter. The analysis process has been carried out in two stages. In the first one, the reduction of the linear thermal transmittance value of the thermal bridge is studied by performing a finite element calculation using the THERM software and in the second one, the impact on the reduction of NZEB building indicators is studied by performing energy simulations in three Spanish cities (Alicante, Barcelona and Madrid) using the Energy Plus software. These cities were selected on the basis of those climatic zones with the highest number of dwellings already built and the highest number of dwellings built annually. In the case of face brick façade, the maximum reduction achieved in the NZEB indicators is: • Alicante (climate zone B4): 22.6% in heating demand (first indicator); 20.4% in total primary energy consumption (second indicator); 20.7% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 21.1% in CO2 emissions. • Barcelona (climate zone C2): 18.5% in heating demand (first indicator); 15.5% in total primary energy consumption (second indicator); 16.0% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 16.4% in CO2 emissions. • Madrid (climate zone D3): 16.1% in heating demand (first indicator); 14.4% in total primary energy consumption (second indicator); 14.6% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 14.9% in CO2 emissions. The reduction in the value of the internal linear thermal transmittance Ψi of the thermal bridge is between 20% and 63.4%. In the case of façades with a single-coat mortar exterior finish, the reduction achieved in the same indicators is: • Alicante (climate zone B4): 30% in heating demand (first indicator); 20.1% in total primary energy consumption (second indicator); 21.3% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 22.7% in CO2 emissions. • Barcelona (climate zone C2): 21% in heating demand (first indicator); 18.7% in total primary energy consumption (second indicator); 19.1% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 19.5% in CO2 emissions. • Madrid (climate zone D3): 19.8% in heating demand (first indicator); 17.7% in total primary energy consumption (second indicator); 18% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 18.4% in CO2 emissions. The reduction in the value of the internal linear thermal transmittance Ψi of the thermal bridge is between 47.3% and 75.4%. For the strategy to improve the air tightness of buildings, 111 Blower Door tests were conducted on housing built between 2020 and 2022 to characterize new buildings. In addition, two airtightness improvement measures were proposed and applied in several of the dwellings by repeating the Blower Door test. These data have facilitated the study of the impact on the reduction of NZEB indicators through energy simulations employing the Energy Plus software in the three Spanish cities involved. The average air change rate at a pressure difference of 50 Pa or n50, obtained from the Blower Door tests, has an average value of 11.04 ACH for dwellings built according to standard practice. With the two proposed improvements, average values of 5.38 ACH (51.3 % reduction) and 1.09 ACH (90.1 % reduction) are achieved. Applying the average tightness value of 1.09 ACH, the reduction achieved in the NZEB indicators for the cities of Alicante, Barcelona and Madrid is as follows: • Alicante (climate zone B4): 27.7% in heating demand (first indicator); 21.7% in total primary energy consumption (second indicator); 22.5% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 23.3% in CO2 emissions. • Barcelona (climate zone C2): 24.8% in heating demand (first indicator); 23.4% in total primary energy consumption (second indicator); 23.6% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 23.8% in CO2 emissions. • Madrid (climate zone D3): 23.4% in heating demand (first indicator); 22% in total primary energy consumption (second indicator); 22.2% in non-renewable primary energy consumption (third indicator) and 22.5% in CO2 emissions. In conclusion, it can be stated that the two strategies analyzed as well as the building improvements designed, are instrumental in achieving the NZEB indicators for residential buildings.