El presente estudio forma parte de una serie de análisis teóricos sobre el desempeño energético y medioambiental de una vivienda de aproximadamente 150 m² ubicada en Tarragona, España. El objetivo principal fue evaluar el potencial de la vivienda para mantener adecuados niveles de confort a lo largo del año sin recurrir a sistemas mecánicos de climatización. De manera especial, investigamos el impacto de la ventilación natural y la masa térmica interna para mejorar el comportamiento térmico pasivo de la vivienda durante el periodo de verano.

RESULTADOS MÁS IMPORTANTES:
Los resultados indican que la vivienda puede funcionar sin sistemas mecánicos de climatización, reduciendo los consumos energéticos asociados a la climatización prácticamente a cero. Para ello es necesario maximizar la ventilación natural cruzada y emplear un elevado nivel de masa térmica interna. Cuando se cumplen esas condiciones, encontramos que el número de horas con temperaturas por arriba de 28ºC o por debajo de 20 ºC sería prácticamente nulo. Mediante simulaciones CFD, por otro lado, comprobamos que la implementación de la ventilación natural cruzada permite un adecuado movimiento del aire a través de los espacios de la vivienda.

Planteamiento general

En este estudio partimos de un modelo energético previamente optimizado para maximizar las ganancias solares en invierno y minimizarlas en verano, sacando a la vez el mayor provecho posible de la iluminación natural. El modelo corresponde a una vivienda de dos plantas, en la que los espacios sociales se ubican en la planta baja y los íntimos en el primer nivel (ver Figura 1). Por otro lado, los espacios habitables (que tienen las ventanas de mayor tamaño) se orientan al sur, mientras que los espacios de servicio se ubican hacia el norte. Como una particularidad, la escalera ha sido dispuesta de tal manera que permita incrementar los flujos de aire desde la planta baja.

Figura 1. Imágenes del modelo base realizado en DesignBuilder.

A partir de ese modelo, establecimos los siguientes escenarios de análisis:

Solución A. Modelo inicial. Se considera un nivel medio de masa térmica y un elevado nivel de aislamiento (U = 0.24 W/m²-K). No se consideran ventanas en la parte superior de la fachada norte.

Solución B. Igual que A, pero se agregan tres ventanas en la parte superior de la fachada norte, las cuales se pueden abrir en un 70% de su superficie.

Solución C. Igual que B, pero se agrega una ventana más en la parte superior de la fachada norte, para tener cuatro en total.

Solución D. Igual que C, pero se consideran cerramientos con un nivel muy bajo de masa térmica (conservando el mismo nivel de aislamiento).

Solución E. Igual que C, pero se consideran cerramientos con un nivel muy elevado de masa térmica (conservando el mismo nivel de aislamiento).

Para llevar a cabo los análisis empleamos el programa DesignBuilder, específicamente sus módulos de Simulación (EnergyPlus) y CFD. Con el módulo Simulación aplicamos la opción de ventilación calculada, que se basa en el método AirflowNetwork y permite calcular los caudales de aire a través de las aberturas exteriores e interiores, así como los intercambios térmicos correspondientes, considerando aspectos como las presiones de viento y el efecto chimenea.

Resultados

Tasas de ventilación natural

Uno de los aspectos a evaluar era el incremento de la ventilación natural si se aprovechaba el hueco de la escalera y se incluía un determinado número de ventanas en la parte superior de la fachada norte, tratando de hacer más efectiva la ventilación natural cruzada. Para ello se simularon y compararon los modelos correspondientes a las Soluciones A (sin ventanas superiores), B (tres ventanas superiores) y C (cuatro ventanas superiores).

Las gráficas de la Figura 2 muestran las tasas mensuales promedio de renovación de aire con las tres soluciones. Se observa que al incluir las ventanas en la parte superiores de la fachada norte la ventilación natural se incrementa notablemente. Mientras que con la Solución A las tasas de ventilación promedio no llegan a las 3 ren/h durante el verano, con la Solución B (tres ventanas) las tasas aumentan a cerca de 4 ren/h. Finalmente, con la Solución C (cuatro ventanas) las tasas de renovación se acercan a las 5 ren/h. Estos resultados muestran la eficacia de la configuración planteada para incrementar la ventilación natural cruzada.

Figura 2. Tasas mensuales de ventilación natural (ren/h), considerando tres soluciones.

Verificación de flujos de aire mediante análisis CFD

En la siguiente fase verificamos los patrones de los flujos de aire en los espacios interiores, mediante análisis CFD. Para ello consideramos la Solución C, es decir, la que tiene 4 ventanas en la parte superior de la fachada norte, ya que es la que ofrece las mayores tasas de ventilación. Las condiciones de contorno para las simulaciones CFD se importaron desde los resultados con el módulo Simulación (EnergyPlus), tarea que DesignBuilder facilita en gran medida. Dichas condiciones incluyen las temperaturas superficiales de los cerramientos (muros, techos, suelos, ventanas) y los caudales de aire a través de las aberturas practicables. Por otro lado, se consideraron condiciones de viento típicas durante la época de verano.

La Figura 3 incluye una serie de secciones a lo largo del eje longitudinal de la vivienda, mostrando la velocidad y dirección del movimiento del aire en cuatro puntos clave. La escala de colores representa la velocidad del aire, mientras que los vectores (flechas) indican la dirección en que este se mueve. Estas imágenes CFD muestran cómo, ante condiciones de viento típicas, el aire ingresa por las aberturas de la fachada principal (orientada al sur) y sale por las que se ubican en la fachada posterior. En estos movimientos juega un papel muy importante el hueco de la escalera, que aumenta los flujos verticales desde la planta baja, así como una serie de rejillas previstas en las puertas de los dormitorios en la planta alta. En general, podemos afirmar que se consiguen unos patrones de movimiento del aire adecuados, lo que facilitaría el enfriamiento pasivo de la vivienda.

Figura 3. Análisis CFD de la ventilación natural cruzada.

Condiciones de confort

Más allá de las tasas de renovación de aire y de los patrones de movimiento del aire, los resultados más importantes del estudio tienen que ver con las condiciones térmicas conseguidas en la vivienda. Para evaluar la efectividad de las estrategias pasivas hemos analizado una serie de indicadores, haciendo énfasis en el desempeño de la vivienda durante la temporada de verano, que en este caso suele ser más crítica que la de invierno. En primera instancia, como se muestra en las Figuras 4 y 5, hemos contabilizado el número de horas con temperaturas operativas por arriba de 26, 27 y 28 ºC en dos espacios representativos de la vivienda: el estar y el dormitorio principal.

Figura 4. Comparación de horas en o por arriba de 26, 27 y 28 ºC - Estar.

Figura 5. Comparación de horas en o por arriba de 26, 27 y 28 ºC - Dormitorio.

Como referencia, la Guía A de CIBSE establece que los espacios de estar en viviendas sin climatización no deberían tener más del 1% de las horas ocupadas anuales con temperaturas de 28 ºC, mientras que los dormitorios no deberían tener más del 1% de las horas ocupadas anuales con temperaturas de 26 ºC. De acuerdo con esos criterios el espacio de estar cumple perfectamente, mientras que el dormitorio no. Sin embargo, cabe señalar que estos criterios han sido desarrollados en el contexto del Reino Unido, por lo que podrían no ser adecuados para climas como el de Tarragona. En todo caso, vemos que en el dormitorio principal el porcentaje de horas en o por arriba de 27 y 28 ºC se reduce a 2.2 y 0.0%, respectivamente. 

Las gráficas de las Figuras 6 y 7 permiten visualizar mejor la evolución de las condiciones internas en el estar y el dormitorio principal durante la semana más cálida del año (de acuerdo con el archivo de datos climáticos horarios). Se muestran solo las soluciones A, D y E, que son las más significativas.

Figura 6. Comparación de temperaturas durante la semana más cálida - Estar.

Figura 7. Comparación de temperaturas durante la semana más cálida - Dormitorio.

Se observa que la Solución E, que incluye un elevado nivel de masa térmica, es la que ofrece el mejor desempeño, apenas sobrepasando el límite superior de 28 ºC. Por otro lado, la Solución D, que implica un nivel de masa térmica muy bajo, muestra un desempeño incluso peor que la Solución A. Estos datos indican que el uso de elevada masa térmica interna resulta fundamental para potenciar el efecto de enfriamiento de la ventilación natural, al menos en un clima como el de Tarragona.

Finalmente, calculamos las condiciones de confort a lo largo del año conforme al método adaptativo del estándar ASHRRAE 55-2017, el cual aplica para edificios sin sistemas mecánicos de climatización. Cabe señalar que este estándar no se orienta específicamente a las viviendas, pero lo hemos empleado como referencia debido a que es más restrictivo que el método adaptativo del estándar EN 15251, que teóricamente si las incluye. La Figura 8 y la Tabla 1 muestran los resultados para el estar, mientras que la Figura 9 y la Tabla 2 lo hacen para el dormitorio principal.

Figura 8. Resultados de confort adaptativo conforme al estándar ASHRAE 55-2017 - Estar.

Tabla 1. Resultados de confort adaptativo conforme al estándar ASHRAE 55-2017 – Estar.

Figura 9. Resultados de confort adaptativo conforme al estándar ASHRAE 55-2017 - Dormitorio.

Tabla 2. Resultados de confort adaptativo conforme al estándar ASHRAE 55-2017 – Dormitorio.

Las gráficas permiten visualizar la ubicación de cada uno de los puntos medidos respecto a las zonas de 80 y 90% de aceptabilidad establecidas por el estándar (que indican que de cada 100 personas 80 y 90 se sentirían confortables, respectivamente). Cada punto está determinado por la temperatura exterior media predominante y la temperatura operativa interior. Las tablas, por otro lado, contabilizan el número de puntos medidos dentro y fuera de las zonas de aceptabilidad.

Los resultados correspondientes al espacio de estar indican que todas las horas medidas válidas quedan dentro de la zona de 80% de aceptabilidad, mientras que un 7.53% queda fuera de la zona de 90% de aceptabilidad. De esas horas, un 4.02% corresponde a condiciones de calor, pero curiosamente todas ellas se ubican en la parte izquierda de la gráfica, es decir, en días relativamente fríos en los que podría darse un ligero sobrecalentamiento. Los resultados para el dormitorio principal son aún más favorables, pues solo el 1.23% de las horas medidas válidas quedan fuera de la zona de 90% de aceptabilidad. Estos resultados, junto con los explicados previamente, indican que si se aplica la Solución E la vivienda tiene un excelente potencial para funcionar en modo pasivo durante todo el año, al menos si se dan las condiciones climáticas típicas de Tarragona.

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