Programas informáticos en eficiencia energética en edificios. ENAC0108 E-Book

José Gustavo Jiménez Pérez

• Herausgeber: IC Editorial
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 195

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Libro especializado que se ajusta al desarrollo de la cualificación profesional y adquisición del certificado de profesionalidad "ENAC0108 - EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EDIFICIOS". Manual imprescindible para la formación y la capacitación, que se basa en los principios de la cualificación y dinamización del conocimiento, como premisas para la mejora de la empleabilidad y eficacia para el desempeño del trabajo.

Leseprobe

 

Programas informáticosen eficiencia energéticaen edificiosENAC0108

José Gustavo Jiménez Pérez

iceditorial

Programas informáticos en eficiencia energética en edificios. ENAC0108

© José Gustavo Jiménez Pérez

1a Edición

© IC Editorial, 2025

Editado por: IC Editorial

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ISBN: 978-84-1184-616-5

Presentación del manual

El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ámbito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.

El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.

Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas productivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de competencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia General, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.

Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.

El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF0571: Programas informáticos en eficiencia energética en edificios,

perteneciente al Módulo Formativo MF1195_3: Certificación energética de edificios,

asociado a la unidad de competencia UC1195_3: Colaborar en el proceso de certificación energética de edificios,

del Certificado de Profesionalidad Eficiencia energética de edificios.

Índice

Portada

Título

Copyright

Presentación del manual

Índice

Capítulo 1Simulación energética de edificios

1. Introducción

2. Modelado de transferencia térmica y de masa de edificios

3. Comportamiento dinámico de los edificios

4. Tipos de sistemas de ecuaciones para sistemas de edificio

5. Software de simulación energética

6. Aplicación práctica

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 2Cálculo de la limitación de la demanda energética mediante programas informáticos

1. Introducción

2. Creación y descripción de un proyecto

3. Bases de datos de materiales, productos y elementos constructivos

4. Definición del edificio

5. Cálculo, resultados y generación del informe de verificación

6. Aplicación práctica de la opción general

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 3Calificación energética mediante programas informáticos

1. Introducción

2. Limitaciones de la aplicación

3. Sistemas energéticos incluidos

4. Consumo y emisiones

5. Resultados. Indicadores de etiquetado

6. Aplicación práctica de la opción general en vivienda y pequeño terciario

7. Aplicación práctica de la opción general en gran terciario

8. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Bibliografía

Capítulo 1

Simulación energética de edificios

Contenido

1. Introducción

2. Modelado de transferencia térmica y de masa de edificios

3. Comportamiento dinámico de los edificios

4. Tipos de sistemas de ecuaciones para sistemas de edificio

5. Software de simulación energética

6. Aplicación práctica

7. Resumen

1. Introducción

En la actualidad se está incrementando de forma considerable el interés por la mejora de la eficiencia energética en la edificación debido al gran interés que surge sobre la necesidad de cuidar el medio ambiente que nos rodea.

Los problemas medioambientales como la contaminación, el efecto invernadero y otros factores que conducen al calentamiento global y a un conjunto de efectos maliciosos sobre la naturaleza conllevan intentar imponer medidas de mejora en este sentido en la mayoría de los ámbitos en los que el hombre se desenvuelve y, por supuesto, también en los procesos de edificación.

Esto queda puesto en evidencia por diversas normativas comunitarias, como la Directiva 2006/32/CE del Parlamento Europeo y del Consejo sobre la eficiencia del uso final de la energía y los servicios energéticos. Esta ha sido modificada y complementada por la Directiva 2012/27/UE.

La Directiva 2010/31/UE, que establece requisitos y condiciones en relación con el consumo energético de las edificaciones, ha sido derogada y sustituida por la Directiva (UE) 2018/844 del Parlamento Europeo y del Consejo, también conocida como la Directiva de Eficiencia Energética de los Edificios (EPBD). Esta directiva europea introduce también modificaciones de la Directiva 2012/27/UE sobre eficiencia energética.

A partir de estas normativas europeas, a nivel nacional también se ha creado un marco legislativo en torno a la eficiencia energética de edificios. En este sentido se encuentra el Real Decreto 235/2013, de 5 de abril, por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios de nueva construcción y que también propone como objetivo la certificación y la clasificación energética del parque inmobiliario, siempre y cuando estos edificios tengan por objetivo el alquiler o la venta.

Además el Real Decreto 56/2016, de 12 de febrero, por el que se transpone la Directiva 2012/27/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 25 de octubre de 2012, relativa a la eficiencia energética, en lo referente a auditorías energéticas, acreditación de proveedores de servicios y auditores energéticos y promoción de la eficiencia del suministro de energía cumplimenta el Real Decreto 235/2013, de 5 de abril. Otras modificaciones del mencionado decreto se establecen en el Real Decreto 732/2019, de 20 de diciembre.

Asimismo, esta normativa se extiende a nivel autonómico y local.

Pero no solo en los países de la UE la eficiencia energética de edificios está teniendo una amplia repercusión, sino que países como EE. UU. han desarrollado sus productos software y una legislación para la mejora de la eficiencia energética en los edificios, ya sean viviendas, locales comerciales, etc., con la correspondiente mejora medioambiental.

Para poder llevar a cabo la certificación energética, tal y como se establece según este marco legislativo, se han creado una serie de protocolos y programas software específicos que faciliten y mejoren el trabajo. Así, en este texto se pretende proporcionar los conocimientos adecuados para el manejo de los programas habilitados para tal fin en la actualidad.

2. Modelado de transferencia térmica y de masa de edificios

Se van a proporcionar los conocimientos necesarios para el uso adecuado de los programas informáticos de simulación del comportamiento energético de los edificios de uso habitual en el proceso de certificación energética.

Para llevar a cabo sus funciones, estos programas se basan en un modelo teórico experimental de los procesos que intervienen en el intercambio energético en el edificio. Por ello, para poder comprender el comportamiento de este tipo de software, es necesario conocer los modelos sobre los cuales trabajan.

2.1. Procesos de transferencia de calor y de masa en edificios

El objetivo de este punto es estudiar cómo se comporta el cerramiento del edificio ante la variación de las condiciones climáticas en el exterior, ya que estas marcarán las necesidades de aporte energético al interior de la edificación, ya sea para calefacción o para refrigeración del edificio, y con ello el consumo energético de esta.

La intención de la climatización de la edificación es mantener un ambiente confortable. Lo ideal sería conseguir este confort con un uso cero de energía. En base a este objetivo, se tendrán en cuenta todos los elementos que intervienen en las transferencias de energía en las edificaciones.

Como primera aproximación se puede decir que la intención es mantener una temperatura constante en el interior.

En el exterior de la edificación se van a producir variaciones de las condiciones climatológicas. Por ejemplo, la variación de la temperatura del día a la noche, el cambio de las condiciones climatológicas del verano al invierno, etc.

La cuestión es: ¿cómo afectan estos cambios a las condiciones climatológicas en el interior de la edificación? Y en consecuencia: ¿qué medidas habrá que tomar desde el punto de vista del aporte energético?

Para analizar estas cuestiones es muy importante conocer cómo se comporta el cerramiento de la edificación ante las variaciones, ya que este proporciona la separación entre ambos ambientes y, por lo tanto, de él dependerán los principales procesos de intercambio energético.

Antes de continuar es importante conocer la estructura de los cerramientos de los edificios desde el punto de vista de los programas de simulación. Así, los distintos programas de simulación dividen el cerramiento del edificio en dos sistemas con comportamientos distintos:

Paredes y techos.

Sistemas de acristalamiento.

No solo es necesario conocer cómo se estructura el cerramiento de la edificación, sino que también será importante tener una idea de cómo se producen los procesos de intercambio de energía térmica.

La transferencia de energía térmica se puede producir por tres mecanismos: conducción, convección y radiación.

El proceso de transmisión de energía térmica por conducción se produce en materiales sólidos y se debe principalmente a la variación de energía cinética de sus moléculas sin movimiento de masa. Por otro lado, la convección se produce por el movimiento de masa a distinta temperatura, por lo que se dará en líquidos y gases.

En cuanto a la radiación, la transferencia de energía se debe a los procesos de absorción y emisión de ondas electromagnéticas de sus partículas y se ven afectados por ella tanto sólidos como líquidos y gases.

Nota

El transporte de energía térmica por radiación no necesita masa como soporte, mientras que en los procesos de conducción y convección sí es necesario.

Como se verá a lo largo del capítulo, los procesos de transferencia de energía térmica en los edificios se deben a los tres factores, pudiendo actuar alguno concreto sobre algún elemento o combinados en otros.

Actividades

1. Proporcionar un ejemplo con su correspondiente explicación de cada uno de los procesos de transmisión de energía calorífica que se puedan producir en una vivienda.

Masa térmica del edificio

Los procesos de intercambio de energía en los edificios a través de los muros y los techos del cerramiento se producen a partir de la transferencia de calor entre el ambiente exterior y las zonas internas, principalmente por conducción. Los cerramientos que separan el ambiente exterior del interior son denominadas partes opacas de la edificación o masa térmica.

Definición

Masa térmica

Representa la capacidad del cerramiento de almacenar calor. No se debe confundir con la masa del cerramiento físico del edificio. Esta dependerá del material, el espesor, etc.

Al variar la temperatura en algún extremo del cerramiento se produce un flujo de calor. Este flujo de calor (energía térmica), que va desde el extremo de mayor temperatura al de menor temperatura, pasará por un estado transitorio con una variación hasta llegar al estado estacionario donde, si las temperaturas en los extremos de la edificación permanecen constantes, el flujo de calor también será contante.

En la siguiente imagen se muestra la distribución de temperaturas en el interior del cerramiento así como la evolución temporal del flujo de calor debido a la conducción.

Definición

Calor

Cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo.

Observando el gráfico anterior, donde Text representa la temperatura exterior de la edificación y Tint la temperatura interior, se deduce que la temperatura no será la misma en todo el elemento del cerramiento, sino que dependerá de las existentes en sus extremos. Su valor medio vendrá dado por:

Esta temperatura media implica que haya un almacenamiento de energía térmica en el muro.

Teniendo en cuenta la temperatura en los extremos del muro, se puede definir la energía calorífica que almacena un muro en forma de calor como:

Donde:

ρ

:

representa la densidad del material constructivo y se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m

3

).

cp:

es la capacidad calorífica y se mide en Julios por kilogramo de material por grado Kelvin (J/kg·K).

V:

el volumen en metros cúbicos (m

3

) del cerramiento.

A:

el área en metros cuadrados (m

2

) de la pared del cerramiento.

L:

el espesor en metros (m) del cerramiento.

Actividades

3. Realizar un cuadro detallado con las magnitudes (volumen, espesor, etc.) y sus unidades (metros cúbicos, metros, etc.) donde se proporcione una descripción de la magnitud así como de las unidades y los valores típicos relacionados con el tema que se está tratando.

En el estudio del balance energético en edificaciones suele ser más interesante conocer la energía térmica o calor almacenado por unidad de superficie en un determinado cerramiento, es decir, la cantidad de energía que un metro cuadrado de un determinado material y un determinado espesor es capaz de almacenar. La cantidad de calor por unidad de superficie se determina por la expresión anterior, de forma que:

De forma que:

C representa la capacidad del muro de almacenar energía, siendo su unidad el Julio por metro cuadrado por Kelvin (J/m2K). Para una misma superficie, cuanto mayor sea el valor de C mayor energía térmica es capaz de almacenar el cerramiento. Como se puede ver, C dependerá del espesor del muro, pero también de su material constructivo, ya que la capacidad calorífica (cp) y la densidad (ρ) son características de cada tipo de material.

Nota

La capacidad calorífica c de un sustancia mide la cantidad de energía en forma de calor que es necesaria suministrarle para aumentar su temperatura un grado kelvin (o equivalentemente un grado Celsius).

Donde c es el calor específico y m la masa.

El calor específico (c) indica la cantidad de calor que es necesaria suministrar a un kilogramo de sustancia para elevar su temperatura un grado. Esta es una cantidad intensiva y, por lo tanto, es la que va a permitir comparar los efectos de distintas sustancias desde el punto de vista térmico, como se muestra en la siguiente tabla.

Calor específico de sustancias usadas habitualmente en construcción

Sustancia

Calor específico (c[J/g-K])

Asfalto

0,92

Ladrillo

0,84

Hormigón

0,88

Granito

0,79

Yeso

1,09

Mármol

0,88

Arena

0,84

Madera

0,49

Aplicación práctica

Determine cuál de los dos cerramientos tiene una mayor capacidad de almacenar energía térmica en forma de calor.

SOLUCIÓN

La capacidad de almacenamiento de calor del muro de un cerramiento se determina a partir de la expresión:

Es decir, para poder calcularla se deben conocer algunas propiedades del material constructivo como son la densidad y su capacidad calorífica. Además, habrá que conocer el espesor del muro.

Para los materiales considerados se tiene que el hormigón presenta un calor específico de 0,88 y el ladrillo de 0,84.

Con estos datos se puede establecer que:

Para el hormigón:

Para el ladrillo:

Así que el muro de hormigón tendrá más capacidad de almacenar calor.

Como se puede ver, comparando el valor de C para diversos materiales, se puede tener una idea de cuál tiene una mayor capacidad de almacenar energía térmica.

Otro parámetro que caracteriza la transferencia de energía es la resistencia térmica. Esta se puede entender como la oposición al paso del calor que presenta el muro, es decir, su capacidad de aislamiento térmico. Su expresión matemática es:

Donde k es la conductividad térmica del material del que está fabricado el cerramiento, siendo este parámetro una propiedad física de los materiales cuyas unidades son:

Y L el espesor del cerramiento dado en metros (m).

Actividades

4. Si la conductividad térmica del aluminio es de 200 W/m·K, ¿cuál será la resistencia térmica que presenta una placa de aluminio de 0,02 m de espesor?

La inversa de la resistencia térmica se denomina transmitancia térmica y su fórmula matemática es:

Nota

La conductividad térmica es alta en metales, como por ejemplo en el aluminio usado para los marcos de las ventanas, mientras que es muy baja en materiales como la fibra de vidrio, que se utiliza como aislante térmico en los cerramientos.

Otro factor que juega un papel fundamental en el estudio del comportamiento térmico de los edificios es el producto R·C. A partir de este producto se determina el valor de difusividad térmica, que indica la rapidez con la que el calor se transmite en el cerramiento.

Definición

Difusividad térmica a

Relación entre la conductividad térmica y la capacidad de almacenamiento térmico o capacidad calorífica por unidad de volumen del material.

Como se ha comentado, la difusividad térmica de una medida es la velocidad con la que la energía se mueve dentro del cerramiento, estando relacionada con el producto R·C. Así, a mayor R·C más tiempo tarda la energía térmica en forma de calor en propagarse por el muro.

Recuerde

La resistencia térmica proporciona una indicación de la cantidad de energía en forma de calor que se puede transmitir por el cerramiento, mientras que el valor de R · C dará una indicación del tiempo que tarda esta energía en propagarse por el muro.

Concretando, se puede establecer que, si un edificio tiene poca masa térmica, la respuesta de su cerramiento dependerá principalmente de la resistencia térmica que limitará la cantidad de energía que traspasa este. En este caso, al cambiar las condiciones exteriores, los cambios se propagarán por el cerramiento rápidamente, de forma que los sistemas de climatización que mantienen la temperatura constante en el interior tendrán que entrar en acción para hacer frente a dichos cambios. Por otro lado, si la masa térmica del edificio aumenta, su cerramiento tiene más capacidad de absorber energía y, por lo tanto, se produce un retraso en la propagación de los cambios.

Recuerde

La masa del edificio introduce efectos dinámicos, mientras que los efectos estáticos dependen principalmente de la resistencia térmica.

Ejemplo

Como muestra del efecto de la masa térmica en edificios, se encuentran algunas construcciones antiguas donde, en zonas cálidas y sin necesidad de climatización, la temperatura de su interior permanece aproximadamente constante a lo largo del día, pese a las horas de mayor sol. Esto se debe a que el cerramiento tiene una gran masa térmica y debido a ella se produce un promediado de las temperaturas nocturnas y diurnas. Además de la masa térmica, estos edificios mantienen muy limitada la irradiación en el interior debido a las pequeñas ventanas, lo cual también favorece a mantener una temperatura agradable en el interior.

2.2. Transferencia de calor en muros exteriores y techos (método numérico)

Para la simulación correcta es necesario conocer cómo se produce la transferencia de calor concretando los diversos elementos que componen la edificación. Entre ellos se encuentran los que proporcionan su envolvente térmica, siendo estos los muros exteriores, los tabiques de separación interior, la medianera o los muros de separación entre edificaciones contiguas, los techos y las cubiertas, los suelos y otros cerramientos en contacto con el terreno.

El objetivo de este punto es brindar los conocimientos necesarios para entender el comportamiento de los muros exteriores y los techos como parte de la envolvente térmica del edificio, de forma que se comprenda su importancia y uso en los programas utilizados en la certificación energética de viviendas.

La transferencia de calor en los muros y techos del edificio se produce principalmente por los efectos de la conducción térmica. También se tendrán que considerar los procesos de convección que facilitan el intercambio de energía entre el aire del ambiente y la superficie del muro o techo y los efectos de la irradiación solar que calientan la superficie del muro como queda reflejado en la imagen siguiente.

A la hora de estudiar estos procesos de transferencia de calor, se deben tener en cuenta algunos aspectos importantes entre los que se encuentran la localización y la orientación de la edificación, que determinarán la cantidad de radiación solar que incidirá sobre este, el material constructivo de los elementos que componen el cerramiento, los cuales determinarán la resistencia térmica y la capacidad de almacenamiento de energía calorífica, el tipo y la forma de cerramiento, el color de las paredes, etc.

Para realizar un análisis adecuado de la transferencia de calor en muros exteriores y techos habrá que tener en cuenta la variación térmica con respecto al tiempo, es decir, cómo varían las condiciones climatológicas con el paso de las horas y a lo largo de un año por ejemplo, sobre todo en aquellas zonas geográficas donde estas variaciones pueden ser muy amplias.

Existen diversos estudios para el análisis de las transferencias térmicas en muros y techos, como los estudios analíticos, los estudios experimentales y los que interesan desde el punto de la simulación de edificios: los estudios numéricos.

Estos estudios se centran en la reducción del consumo energético tanto para calefacción como para refrigeración y consideran la temperatura interior constante de forma que las variaciones se producen solo en la temperatura exterior. Se puede decir entonces que se está ante un modelo estático.

El modelo de muros y techos que se va a considerar en este análisis será un modelo unidimensional, es decir, el flujo de energía se mueve en una única dirección, ya sea horizontal o vertical, ya que proporciona mayor simplicidad con una buena aproximación de la realidad. Se debe tener en cuenta en este sentido que, en general, los efectos bidimensionales y tridimensionales solo se suelen dar en pequeñas regiones del cerramiento de una edificación.

Como se ha comentado, en la superficie de muros y techos se producen efectos de convección y radiación que la calientan. El calor generado en esta superficie se transmite por la estructura interna del muro hacia la superficie contrapuesta por mecanismos de conducción térmica.

En este sentido, se va a seguir la nomenclatura expuesta en el Código Técnico de la Edificación. Según este, la transferencia de energía entre el aire y el muro se modela por una resistencia térmica.

En el caso de muros en contacto con el aire exterior, esta resistencia térmica se denomina porRse, y en el caso de muros en contacto con el aire interior, porRsi.

Estas resistencias proporcionan una forma de medir qué cantidad de energía contenida en el aire exterior o interior, debido a su temperatura, pasará al muro para transmitirse por su interior.

Las resistencias anteriores están tabuladas en función de la posición del muro o techo y del sentido del flujo de calor.

Resistencias R y Rsi en función de la dirección del flujo de calor

Recuerde

El sentido del flujo de calor o energía térmica lleva la dirección del punto de mayor temperatura al de menor temperatura.

Otro aspecto a considerar será el número de capas de las que se constituye el muro y el espesor de cada una de ellas. Cada capa estará fabricada con un determinado material con unas características térmicas determinadas.

Para los cálculos cada capa se modela por medio de una resistencia térmica Ri, resistencia que da cuenta de la cantidad de energía que se pierde a medida que esta atraviesa el muro.

Considerando un muro o techo compuesto por n capas, el espesor total vendrá dado por:

Aplicación práctica

Siendo: