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INTRODUCCIÓN
El cambio climático debido a causas antropogénicas es una realidad cada vez más evidente. Numerosos signos tangibles indican, como lo atestigua la comunidad científica, que se ha superado el umbral de dióxido de carbono de 400 ppm (Hunger, 2016). Son los edificios los responsables del 40% del consumo total en la Unión Europea (Directiva del Parlamento Europeo y del Consejo, 2010) y dentro de las diferentes tipologías de edificios, los de oficinas destacan por su alto consumo de energía (Estrategia de Ahorro y Eficiencia Energética para España 2004-2012, 2003) y representan el 33% del consumo total del parque construido. Se trata, mayoritariamente, de edificaciones previas a la entrada en vigor del Código Técnico de Edificación (Código Técnico de la Edificación, 2006), por lo que suelen ser inmuebles energéticamente ineficientes y con grandes superficies vidriadas. La ventana es normalmente el primer elemento de la envoltura térmica evaluado, técnica y económicamente (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2008) y destaca por su triple efecto en el consumo de energía a través de los sistemas de calefacción, refrigeración e iluminación (Jaber y Ajid, 2011).
La configuración del vidrio ha ido evolucionando considerablemente a lo largo de las últimas décadas mediante la aplicación de nuevos diseños, técnicas y materiales (Giménez, 2011). Así, se puede diferenciar varias tipologías en ellos (IDAE, 2008), de acuerdo a su configuración o diseño, como son el simple, doble o triple, así como la inclusión de un tratamiento de capa en alguna o varias de las caras con el que se obtendría un bajo emisivo, control solar o una combinación de ambas características. Dichas cualidades condicionan el valor de los parámetros característicos asociados al vidrio que consideran la UNE-EN 410 y UNE-EN 673 (Asociación Española De Normalización y Certificación, 2011a y 2011b), tales como la reflexión luminosa, la absorción energética, la transmisión ultravioleta, entre otros. Destacan, en este sentido, la transmitancia térmica «U» y el factor solar «FS», por su efecto en el comportamiento térmico de los recintos, y la transmisión luminosa «TL», por su influencia en la iluminación artificial.
Al igual que la parte opaca de la envolvente de los edificios, el nivel de eficiencia y elección del vidrio se ha asociado, durante los últimos años en España, principalmente al parámetro transmitancia térmica (Tabla 1). Los vidrios monolíticos sencillos fueron utilizados, en su gran mayoría, hasta la década de los ochenta (Asociación Española de Fabricantes de Fachadas Ligeras y Ventanas, 2014).
Tabla 1: Evolución temporal del uso del vidrio convencional en España. Parámetro transmitancia térmica.
| Periodo | Descripción | U (W/m2K) |
|---|---|---|
| 1970-1980 | Vidrio monolítico | 5,7 |
| 1980-1990 | Doble vidrio | 3,3 |
| 1995-2000 | Primeros vidrios bajo emisivos | 1,8 - 1,6 |
| 2007 | Mayor presencia vidrios bajo emisivos | 1,5 - 1,3 |
| 2013 | Vidrios bajo emisivos | 1,1 - 0,5 |
Fuente: Recuadro extraído de Asociación Española de Fabricantes De Fachadas (2014).
Como se ha indicado, los edificios de oficinas se caracterizan por un elevado porcentaje de vanos (Window-to-Wall Ratio, WWR), alto consumo energético por metro cuadrado y gran aprovechamiento de la luz natural (Franzetti, Fraise y Achard, 2004). En esta línea, se han realizado diversos estudios en cuanto a su forma, disposición, WWR, tipos de ventanas, elementos de sombra, entorno y zonas climáticas. Hee et al. (2015) ponen de manifiesto el impacto de la tipología del vidrio, estático y dinámico, en el comportamiento térmico y aprovechamiento de la luz natural. En la mejora de la normativa de ahorro energético por el gobierno de Korea, Kim et al. (2014) proponen incluir, además, el parámetro aislante de la ventana, orientación y factor solar.
Méndez et al. (2015), en tanto, destacan la importancia de la disposición de las ventanas, con y sin influencia del entorno, en la eficiencia energética en climas europeos más representativos de Europa según la clasificación Köppen (Palermo, Torino, Frankfurt y Oslo). Goia (2016) se centra en establecer el WWR ideal en oficinas de bajo consumo para diferentes climas europeos (Oslo, Frankfurt, Rome and Athens). Afirma que la mayoría de los valores ideales se encuentra en un estrecho margen entre el 0.30 y 0.45% de vanos. De forma semejante, Ma, Wang y Guo (2015) determinan el WWR máximo según diferentes valores de transmitancia térmica de la envolvente en siete ciudades de Estados Unidos. Pino et al. (2012) destacan el tamaño de la superficie acristalada como el factor más influyente en la demanda energética en Santiago, Chile. Éstos, con un WWR del 20%, protecciones solares exteriores y vidrio selectivo, obtienen una demanda de 25 kWh/m2 año.
En climas nórdicos, Poirazis, Blomsterberg y Wall (2008) establecen posibilidades y limitaciones en el diseño de futuros edificios de oficinas estudiando una planta rectangular en Gotemburgo, Suecia. Sostienen que los edificios con grandes superficies vidriadas deben estar diseñados de manera que eviten la alta carga de refrigeración. Grynning et al. (2013) obtienen resultados similares al analizar tres métodos de calificación de ventanas en un edificio en Oslo, Noruega, donde también tiene una mayor importancia la demanda de refrigeración.
Por otro lado, en climas cálidos, Huang, Niu y Chung (2014) basan su investigación en un edificio cuadrado en cuatro ciudades de latitudes entre 1º 18’ y 29º 45’ norte. Establecen la combinación ideal para las diferentes tipologías de ventanas convencionales y los elementos de sombras interiores y exteriores. Tsikaloudaki et al. (2012) evalúan el comportamiento de un grupo de ventanas sobre la demanda de refrigeración en clima mediterráneo (Atenas, Lárnaca, Lisboa, Málaga y Roma) mediante el cálculo del valor del índice energético en módulo de oficina rectangular diseñado bajo norma ISO 18292, y determinan que los valores de transmitancia térmica inferiores a 2,0 W/m2K no son aconsejables si se quiere conseguir que la carga de refrigeración sea lo más baja posible.
Lee et al. (2013) investigan el efecto del vidrio en el consumo energético en varios climas típicos de Asia (Manila, Taipei, Shanghai, Seoul y Sapporo). Exponen diferentes propuestas para cada clima según tamaño, porcentaje y orientación. Ihara, Gustavsen y Jelle (2015) estudian, además del efecto de la transmitancia y factor solar de la ventana, la reflectancia y transmitancia térmica de la parte opaca en Tokio, Japón. Concluyen que la medida más efectiva para reducir la demanda energética pasaría por reducir primero el factor solar, seguido de la transmitancia térmica de la ventana para posteriormente aumentar la reflectancia solar de la parte opaca. Y destacan que la reducción de la transmitancia de la parte opaca aumenta la demanda en la mayoría de los edificios, siendo necesario determinar el valor apropiado.
En cuanto al consumo en iluminación, Tian et al. (2010) desarrollan un sistema de clasificación energética de ventanas para los edificios de oficinas más comunes de Hong Kong, a partir del cual indican qué estrategias de control de la iluminación artificial tienen un gran impacto en la calificación energética. Bodart y De Herde (2002), por su parte, evalúan el impacto del aprovechamiento de la luz natural en Uccle, Bélgica y aseveran poder reducir la iluminación artificial en oficinas entre un 50 y 80%. Lee y Won (2017) analizan la combinación factor solar y transmisión luminosa, proponiendo una guía que mejore la eficiencia económica según coste energético e inversión inicial, en Korea del Sur. Afirman que el consumo energético disminuye a medida que el factor solar disminuye y la transmisión luminosa aumenta.
Con visión a futuro, Rubio-Bellido, Pérez y Pulido (2016) abordan hipotéticos escenarios meteorológicos que podrían surgir como consecuencia del cambio climático, y los efectos que podrían darse sobre la demanda energética en diferentes años, en Chile. En ese marco, investigan cómo optimizar la planta (factor de forma) y la envolvente (relación ventana y parte ciega) de estas construcciones. Asimismo, Shibuya y Croxford (2016) exploran el impacto del cambio del clima sobre el consumo de calefacción y refrigeración de un edificio estándar existente en tres regiones de Japón.
El presente artículo analiza el vidrio desde dos puntos de vista: su configuración, que corresponde al número de paneles acristalados que lo conforman (simple o doble vidrio) o al tratamiento de capa (baja emisividad), y sus parámetros característicos. La metodología propuesta permite determinar, comparar y entender la influencia de ambas formas de análisis en el consumo de calefacción, refrigeración e iluminación, y con ello, en la elección de cada sistema y orientación. Primero, se considera el vidrio según su configuración y tratamiento de capa, para lo cual es necesario no tener aplicado ningún tratamiento de capa (vidrio claro), o bien, contar con una capa de baja emisividad (bajo emisivo). Y, en segundo lugar, se trabajan los tres parámetros característicos: la transmitancia térmica, el factor solar y transmisión luminosa, cuyos valores dependen de los resultados obtenidos a partir de la primera etapa del análisis.
Para conseguir ambos objetivos se define un edificio modelo de oficinas, representativo del parque edificatorio, dentro del periodo de mayor volumen de construcción de oficinas en España (1971-1980). El edificio es adaptado o transformado geométricamente, interna y externamente, de manera que permita obtener una igualdad de condiciones en todas las orientaciones, posibilitando con ello, la comparación entre dichas orientaciones. Tres tipos de vidrios son utilizados: monolítico sencillo, doble claro y doble bajo emisivo. El modelo, una vez modificado, es sometido a tres entornos climáticos que exhiben diferentes severidades de invierno y verano, de acuerdo al Código Técnico de la Edificación (CTE, 2017). Los climas vienen definidos por una letra (desde la “A”, para el más suave, hasta la “E”, para el más severo) cuando se refiere al consumo calefacción, y por un número (desde el “1”, el más suave, al “4”, el más severo) cuando se trata de refrigeración. Los entornos climáticos corresponden a tres ciudades con mayor superficie construida de oficinas en clima mediterráneo peninsular español (Dirección General de Arquitectura, Vivienda y Suelo, 2014): Barcelona, de código «C2» y latitud 41º 28’ N, Sevilla «B4» de 37º 42’ N, y Málaga «A3» de 36º 67’ N.
METODOLOGÍA
Para determinar la influencia e importancia de la configuración y tratamiento de capa, y de los parámetros de los vidrios en edificios de oficinas, se sigue la siguiente metodología:
Se define el modelo representativo de un grupo existente del parque edificatorio. Se determina aquí la geometría, alturas, vanos y ventanas del modelo inicial de estudio basado en datos catastrales y estadísticos en las ciudades de estudio.
Se establecen las características constructivas del modelo, partiendo en este caso, de informes técnicos y códigos constructivos vigentes en el periodo de construcción elegido. Así también, se define la ocupación, la operación y los equipos instalados.
Se precisan los datos requeridos para la representación del modelo dentro del programa de simulación energética que incluye los parámetros de evaluación: transmitancia térmica, factor solar y transmisión luminosa de los vidrios.
Se determina la iluminación y colocación de fotosensores con programas informáticos.
Se estipula las combinaciones de vidrios a ensayar y se identifican los vidrios comúnmente empleados y comercializados.
Se realizan simulaciones relacionadas con la influencia de los vidrios, según configuración y tratamiento de capa, para posteriormente continuar con los parámetros característicos. En este último caso, se generan distintas combinaciones ficticias auxiliares de los valores de los parámetros de los vidrios dobles.
Se representan gráficamente los resultados por ciudades y orientaciones, según configuración y tratamiento del vidrio, y parámetros característicos. Se amplía, posteriormente, el estudio del vidrio a un rango de valores de transmitancia térmica y factor solar mayores para conocer si mantiene el vidrio el mismo comportamiento.
EDIFICIOS REPRESENTATIVOS
La Dirección General de Arquitectura, Vivienda y Suelo, a través del documento “Observatorio de Vivienda y Suelo. Boletín Especial Censo 2011 Parque edificatorio” (2014), refleja una superficie construida de oficinas en España de 111,29 millones de m2. De ellos, el 31,8% fueron construidos en los años 2002-2011, el 23,1%, en el intervalo 1991-2001 y un 15,2%, entre 1971 a 1980. Periodo, este último, caracterizado por el uso del vidrio monolítico sencillo.
El listado de referencias catastrales de inmuebles indica cuáles tienen uso de oficina en la Subdirección General de Política de la Dirección General de Arquitectura, Vivienda y Suelo del Ministerio de Fomento. Y a través de la Sede Electrónica del Catastro (Servicios electrónicos de la Dirección General del Catastro) se han localizado los de Sevilla, de los cuales se eligen tres, mediante un estudio de campo. Estos edificios están caracterizados por presentar: planta rectangular, elevada superficie y número de plantas, vanos modulados con igual dimensión, forma y porcentaje en todas las orientaciones, y ningún edificio colindante cercano (Figura 1).
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 1: Edificios de referencia en la definición del modelo inicial.
Los tres edificios son utilizados en el diseño geométrico y elementos de la envolvente del modelo de oficinas. Debido a las diferencias existentes entre ellos, se considera una situación intermedia en cuanto a la planta (dimensiones exteriores, número de plantas y altura de suelo a suelo), el vano (porcentaje, geometría y posición, escuadría, altura dintel y antepecho, y elemento de sombra propia) y la ventana (carpintería, fracción de marco y vidrio).
El edificio modelo, de planta rectangular, tiene unas dimensiones interiores de 50m x 20m con alineación de fachadas de mayor longitud a eje norte-sur. Consta de 11 plantas con una altura de suelo a suelo de 3,10m. Los forjados de las plantas intermedias son de 0,36 m siendo la altura de suelo a techo de 2,74m.
HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ENERGÉTICA
La herramienta de simulación energética elegida, de uso extendido en el sector de la construcción, es DesignBuilder1, sobre la cual se ha basado la caracterización y estructuración de los diferentes elementos pasivos y activos del edificio modelo. Esta trabaja con el motor de cálculo EnergyPlus -desarrollado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y creado a partir de la unión de las herramientas DOE-2 y BLAST-, el que permite realizar simulaciones dinámicas avanzadas en tiempo real. También incorpora RADIANCE en el análisis de la iluminación natural incidente a través de los parámetros lumínicos: nivel de iluminancia y factor de luz diurna, mediante el método “ray-tracing” (trazado de rayos) en el plano de trabajo. Emplea el modelo de cálculo estadístico Monte Carlo, incluyendo la reflexión, refracción de la luz, sombras y otros efectos necesarios de forma unificada para conseguir un efecto realista. Finalmente, la herramienta usa el módulo HVAC, el cual considera un amplio rango de sistemas (todos los de referencia del estándar ASHRAE 90.1), como también la dinámica de fluidos computacional (CFD) en el estudio detallado del movimiento del aire interior y la distribución de temperaturas, entre otros aspectos.
Para el cálculo de los parámetros lumínicos de fuentes de luz interior y distribución de luminarias de los recintos se ha utilizado la también conocida y extendida herramienta DIALux2 del Instituto Alemán de Luminotécnica Aplicada. Esta hace posible integrar una multitud de paquetes de base de datos de productos de compañías de fabricantes diferentes.
SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS, OCUPACIONALES, OPERACIONALES, FUNCIONALES, Y EQUIPOS
El diseño de las soluciones constructivas que componen la envolvente del edificio modelo se ha basado en la norma de buenas prácticas, correspondiente al periodo de estudio en España (Ministerio de la Vivienda, 1972), mientras que sus valores de transmitancia térmica se han apoyado en la biblioteca de materiales de la Herramienta Unificada de Verificación del Documento Básico HE del CTE y la Certificación Energética de Edificios3 (HULC 2016) (Tabla 2).
Tabla 2: Parte opaca de la envolvente térmica y particiones interiores. Espesores y valor transmitancia térmica.
| Parámetro | Espesor (m) | U (W/m2K) |
|---|---|---|
| Cubierta | 0,46 | 0,91 |
| Muro de fachada | 0,29 | 1,28 |
| Suelo | 0,51 | 2,36 |
| Partición interna horizontal | 0,36 | 1,96 |
| Partición interna vertical | 0,12 | 2,23 |
Fuente: Elaboración de los autores.
Los vanos de fachada, de forma rectangular en posición apaisada, son modulares de iguales características geométricas y dimensionales equidistantes entre sí, a 0,50m (Figura 2). El porcentaje de vanos es del 46% en todas las orientaciones, único considerado en las simulaciones.
En una rehabilitación energética de vanos de fachadas no tiene sentido cambiar únicamente la superficie vidriada sino la ventana. Ello, debido, por un lado, a las pésimas prestaciones térmicas que tiene el perfil de hoja y/o marco y, por otro, a la imposibilidad técnica de incluir un vidrio de mayor calidad y grosor en el poco espesor del perfil existente. En las simulaciones, se ha considerado las características técnicas del marco en su situación reformada.
Se elige un sistema de hoja fija, al no considerarse la ventana una estrategia de ventilación natural en el sector terciario (CTE, 2013), de perfil PVC y color blanco. El vidrio es un monolítico sencillo de 6mm de espesor, retranqueado 24cm del paramento exterior (Tabla 3).
Tabla 3: Parámetros del vano y ventana.
| Parámetro | Valor | |
|---|---|---|
| Vano | Escuadría | 2,00 x 1,60 m |
| Altura dintel | 2,45 m | |
| Altura antepecho | 0,85 m | |
| Ventana | Parámetros del vidrio monolítico de 6 mm | Ug = 5,7 W/m2K FS = 0,85 TL = 91 % |
| Perfil de marco | Uf = 1,4 W/m2K α = 0,30 | |
| Infiltración recintos | n50 = 5,0 1/h | |
| Fracción de marco | 15 % | |
Fuente: Elaboración de los autores.
Los elementos de sombras en vanos de fachada son iguales en todas las orientaciones, de modo que se escoge para el estudio la opción de máxima incidencia de la radiación solar. Es el retranqueo de la ventana el único considerado. Al centrarse la investigación en el comportamiento del vidrio, se han mantenido constantes todos los elementos que conforman la envolvente térmica y particiones interiores, así como las características ocupacionales, operacionales, funcionales y los equipos. La transmitancia térmica, el factor solar y la transmisión luminosa son las únicas variables.
El equipo de producción de calor está compuesto por un ventiloconvector 4 tubos de vector energético el gas natural. El equipo de refrigeración corresponde a una enfriadora por aire de vector la electricidad.
En la iluminación artificial se ha elegido una de tipo general directo, es decir, aquella que no modifica su distribución, aun produciéndose cambios en la posición de los puestos de trabajo. Se ha considerado una instalación muy habitual en oficinas (IDAE, 2001) consistente en luminarias de techo empotradas no ventiladas con lámparas fluorescentes tubulares lineales de descarga eléctrica en atmósfera de vapor de mercurio a baja presión, tipo TL-D 26mm de diámetro.
En el aprovechamiento de la luz natural, se ha empleado un sistema de regulación y control automático tipo progresivo/apagado en el que la iluminación artificial y potencia eléctrica consumida disminuyen linealmente a medida que aumenta la incidencia de la iluminación natural (Ordóñez, 2014). Las lámparas se apagan al sobrepasar el nivel de iluminación de consigna. Cada recinto lleva incorporado un fotosensor situado a eje del vano a una distancia de 2,45m. No se ha considerado ningún factor corrector por pérdida de radiación lumínica por suciedad del vidrio (Tabla 4).
ADAPTACIÓN DEL EDIFICIO MODELO Y COMBINACIONES EN LA COMPARACIÓN DEL VIDRIO
Para conocer la influencia de la configuración del vidrio, unido al tratamiento de capa, y de los tres parámetros característicos sobre los consumos de calefacción, refrigeración e iluminación, el edificio modelo de planta rectangular, de 50 x 20 m, es previamente adaptado con el fin de conseguir una igualdad de condiciones en todas las orientaciones, que permita la comparación.
El primer inconveniente que se presenta en el modelo de planta rectangular es la desigual incidencia de la radiación solar por fachada. Por lo que éstas son unificadas en sus dimensiones, tomando como referencia la de menor longitud, de manera que la planta pasa a ser de 20m x 20m. Un segundo inconveniente está relacionado con la superficie de los espacios interiores. Estos tienen que ser también iguales entre sí, dando un nuevo escenario compuesto por núcleo central, CUS21, y cuatro espacios de igual superficie útil y número de vanos orientados hacia los cuatro puntos cardinales, CUS01 a 04 (Figura 3). Por simplificación y rapidez en las simulaciones, se ha centrado el estudio en una única planta intermedia, la más representativa.
El modelo empleado en las simulaciones difiere del comúnmente usado, que consiste en un módulo de oficina a una orientación donde todas las paredes son adiabáticas, excepto la fachada con el vano acristalado. En este caso, la simulación se comienza considerando todos los vanos de la planta con vidrios monolíticos, los cuales son sustituidos posteriormente por los dobles reales y ficticios, por orientaciones de fachada, reflejando el efecto sobre la planta modelo cuadrada.
VIDRIOS DE EXPERIMENTACIÓN
En la investigación se han utilizado tres tipologías de vidrios muy comunes en la edificación. Una configuración simple, correspondiente al monolítico sencillo, que fue definida con el edificio modelo de planta rectangular, y dos configuraciones dobles. De estas últimas, una sin tratamiento, el doble claro, y otra con tratamiento de baja emisividad en la cara dos, correspondiente a un doble bajo emisivo (Tabla 5). Estas tres tipologías son, en definitiva, las adoptadas para el primer análisis de comportamiento del vidrio, según su configuración y tratamiento de capa.
Tabla 5: Vidrios de experimentación reales. Valores parámetros U, FS y TL.
Fuente: Elaboración de los autores a partir de Guardian SunGuard4.
En cambio, para conocer el comportamiento del vidrio por parámetros característicos es necesario contemplar, además de las tres tipologías anteriores, seis vidrios ficticios adicionales, creados expresamente a partir de la combinación de los valores de transmitancia térmica, factor solar y transmisión luminosa de los dos vidrios: doble sin tratamiento y de baja emisividad (Tabla 6). Tres son doble claro (FI_DC02, FI_DC06, FI_DC08) y los otros tres son bajo emisivo (FI_BE02, FI_BE06, FI_BE08).
RESULTADOS Y ANÁLISIS
COMPORTAMIENTO DEL VIDRIO SEGÚN CONFIGURACIÓN Y TRATAMIENTO DE CAPA
Si se compara el vidrio doble claro y doble bajo emisivo, en un ambiente con calefacción, se obtiene menor consumo con el vidrio doble claro, caracterizado por tener la transmitancia térmica mayor (2,8 W/m2K). En refrigeración, en cambio, se obtiene menor consumo con el bajo emisivo (1,6 W/m2K) (Figura 4). Si se analiza el parámetro factor solar, el vidrio doble claro, con el que se obtiene menor consumo en calefacción, es el que tiene un valor mayor (0,72). En refrigeración, el vidrio doble bajo emisivo, con el que se obtiene menor consumo, es el que presenta un valor menor (0,41). En iluminación, el menor consumo se obtiene con el vidrio que posee el mayor valor de transmisión luminosa, independientemente del valor de la transmitancia y del factor solar (Figura 5).
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 4: Consumo de calefacción, a la izquierda, y de refrigeración, a la derecha, con vidrios según prestación en Barcelona, Sevilla y Málaga.
COMPORTAMIENTO DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS
Al comparar, en este caso, el vidrio doble claro, el doble bajo emisivo y los ficticios creados con cada una de las dos tipologías anteriores, es con el vidrio FI_BE08 (1,6 W/m2K, 0,72, 69 %) con el que se consigue menor consumo en calefacción. Este se caracteriza por tener la transmitancia térmica más baja, el factor solar más alto y la transmisión luminosa más baja. En refrigeración, se obtiene menor consumo con el vidrio FI_DC06 (2,8 W/m2K, 0,41, 79 %), identificado con la transmitancia térmica más alta, el factor solar más bajo y la transmisión luminosa más alta. Tales valores de parámetros son opuestos a los obtenidos con el vidrio FI_BE08 en calefacción (Figura 6). En iluminación, un menor consumo se obtiene con el vidrio RE_DC (2,8 W/m2K, 0,72, 79 %) y con el FI_BE06 (1,6 W/m2K, 0,72, 79 %). Ambos se distinguen por tener los parámetros de transmisión luminosa y de factor solar más altos (Figura 7). Tanto en calefacción como en refrigeración e iluminación, se obtiene el mismo resultado en todas las orientaciones y ciudades.
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 6: Consumo de calefacción, a la izquierda, y refrigeración, a la derecha, con la combinación de parámetros en Barcelona, Sevilla y Málaga.
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 7: Consumo de iluminación con la combinación de parámetros en Barcelona, Sevilla y Málaga.
Para el rango de parámetros de vidrios dobles reales y sus correspondientes ficticios, en calefacción, se consigue un menor consumo energético con el vidrio que tiene una transmitancia térmica baja y factor solar alto. Y en refrigeración, con el vidrio que tiene una transmitancia térmica alta y factor solar bajo. Con el fin de comprobar si la reducción del consumo energético se mantiene igual para valores de transmitancia térmica y factor solar más amplios, se realiza un último grupo de simulaciones compuesto por la combinación de valores de transmitancia térmica de: 0, 1, 2, 3 y 4 W/m2K con valores del factor solar de: 0,0; 0,2; 0,5; 0,8 y 1. Cada combinación es considerada y sustituida en todas las orientaciones cada la vez.
En las gráficas de las tres ciudades se puede apreciar, que el consumo energético es menor cuanto más baja es la transmitancia térmica y mayor es el factor solar en calefacción, y cuanto mayor es la transmitancia y menor es el factor solar en refrigeración. Únicamente se obtiene un menor consumo en un caso aislado en refrigeración en Sevilla, cuyo valor de transmitancia térmica es de 2 W/m2K y de factor solar, 0 (Figura 8).
Se puede observar cómo en Barcelona, que presenta un clima más suave en verano y más severo en invierno, es la calefacción la que domina el impacto anual por lo cual un factor solar alto y valores de transmitancia bajos son la mejor opción. Pero en climas más cálidos, como los de Sevilla y Málaga, se debe encontrar un punto intermedio en la transmitancia, entre 1,9 a 2,0 W/m2K. Valores por debajo del umbral reducen el consumo en invierno, aminorando las pérdidas de calor, y por encima, reducen el consumo en verano, incrementándose la disipación de calor.
CONCLUSIONES
La metodología expuesta, que parte de la identificación de un modelo de edificio de oficinas representativo, ha permitido conocer el comportamiento teórico del vidrio de vanos de fachadas en la reducción del consumo de calefacción, refrigeración e iluminación artificial. Ello ha sido posible tanto desde el punto de vista de la configuración, con y sin capa bajo emisiva, como de los tres parámetros característicos: transmitancia, factor solar y transmisión luminosa. Para la labor, fue necesario disponer de datos estadísticos de las construcciones y geometrías más representativos a través del análisis de informes y datos públicos oficiales. También se requirió identificar los vidrios más comúnmente empleados y comercializados. Además, fue preciso ajustar la planta modelo inicial de forma rectangular a una cuadrada, con el fin de conseguir una igualdad de condiciones en todas las orientaciones que permitiera las comparaciones de las diferentes tipologías de vidrios: una situación ideal consistente en igualdad de fachadas, distribución de espacios y condiciones internas.
COMPORTAMIENTO DEL VIDRIO SEGÚN CONFIGURACIÓN CON Y SIN CAPA BAJO EMISIVA
En el estudio del vidrio por configuración y tratamiento de capa, se ha visto cómo aquel con transmitancia térmica más baja, característico del doble bajo emisivo, obtiene un consumo de calefacción mayor. Resultado que contradice el concepto que se tiene de dicha tipología, pues al tener menor valor de transmitancia térmica es asociado con una mayor reducción del consumo energético en calefacción. En refrigeración, es en cambio el vidrio bajo emisivo con el que se consigue un menor consumo. Esto sucede en todas las orientaciones y zonas climáticas con los vidrios dobles sin tratamiento y bajo emisivo. Escenarios que son debidos, en parte, a la influencia del valor bajo y alto del parámetro factor solar de cada vidrio.
En iluminación artificial, se consigue mayor reducción energética con el monolítico sencillo, caracterizado por tener la transmisión luminosa y factos solar mayores. Dicho resultado se obtiene igualmente en todas las orientaciones y zonas climáticas.
COMPORTAMIENTO DE LOS PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL VIDRIO
A diferencia del análisis del vidrio según su configuración y tratamiento de capa, aquí se crearon unidades ficticias de la combinación de los parámetros característicos de los vidrios dobles claro y bajo emisivo.
Un menor consumo de calefacción se consiguió con el vidrio que presentaba la transmitancia térmica más baja y factor solar más alto. En refrigeración, esto se correspondió con el vidrio con transmitancia térmica alta y un factor solar bajo. Combinación de valores de transmitancia térmica y factor solar que permiten, en el periodo de calefacción, menor pérdida de energía térmica y mayor ganancia solar, mientras que, en refrigeración, mayor flujo de energía térmica (disipación del calor del interior al exterior de forma pasiva) y menor ganancia solar. Dichos valores de parámetros permiten, en el caso de estudio por configuración y tratamiento de capa, que el vidrio doble claro y doble bajo emisivo tenga un mayor efecto en la reducción del consumo energético en invierno o verano, respectivamente, en las tres ciudades estudiadas. En cuanto a la iluminación artificial, la reducción del consumo es mayor cuanto más elevado sea el valor de la transmisión luminosa y factor solar. El comportamiento de los parámetros se mantiene igual en todas las orientaciones y zonas climáticas.
En líneas globales, los vidrios deben ser seleccionados por el valor de los parámetros característicos y no de acuerdo al nombre generalizado con el que se les suele identificar, por ejemplo, bajo emisivo o con control solar. Efectivamente, el mayor ahorro energético se consigue a través de la combinación ideal de los tres parámetros, y esta será distinta según lo que se quiera reducir: la calefacción o la refrigeración.
FUTURAS INVESTIGACIONES
En futuras investigaciones, se propone el diseño de una herramienta de selección de vidrio que considere el periodo anual. Primero, centrar el estudio en el confort térmico (parámetros de transmisión térmica y coeficiente de ganancia de calor solar), considerando el efecto del calor liberado por los dispositivos de iluminación artificial. Y más adelante, incorporar aspectos tales como, características de la habitación, comportamiento del usuario frente al uso de elementos de sombra interiores, deslumbramiento, suciedad en los vidrios, edificios cercanos y la colocación óptima del sensor de luz.
También se investigará sobre el efecto del cambio climático en la selección de los vidrios, ya que el ciclo de vida de estos es cercano a los 50 años, por lo que se debe incluir un análisis sobre los métodos de ahorro futuro de energía y sobre aquellos que, por el contrario, perjudican la eficiencia.
Por último, se puede abordar otras ciudades del Mediterráneo y comprobar si se repite el mismo patrón que entre Sevilla y Málaga, al sur, con respecto a Barcelona, más al norte.
