Caracterización experimental y modelo predictivo del comportamiento térmico de una fachada vegetal

La aplicación de las estrategias que promuevan la eficiencia energética y la sostenibilidad en el sector de la construcción es una tarea de fundamental importancia que estamos llamados a llevar a cabo como ciudadanos, profesionales e investigadores. Esta tesis doctoral se enmarca dentro de los trabajos de investigación llevados a cabo en los últimos años que, en la línea más general de analizar sistemas a la vez energéticamente eficientes y beneficiosos para la mejora del confort de los usuarios, se han centrado en la caracterización de los efectos sobre edificios y medioambiente derivados de la aplicación de fachadas vegetales en el ámbito arquitectónico. La investigación parte del análisis del papel que las envolventes vegetales han tenido en relación a la arquitectura a lo largo de la Historia, para luego examinar su papel actual que, más allá de su reconocido valor estético, cada vez más cobra una función arquitectónica propia. Prueba de ello es la creciente integración de las superficies vegetales experimentada en los últimos años tanto en entornos arquitectónicos como urbanos; reflejo, a su vez, del desarrollo gradual de nuevas investigaciones sobre fachadas vegetales y de la difusión de diferentes sistemas en el mercado. Tras realizar un análisis detallado de los resultados obtenidos hasta el momento en el campo de la investigación y una vez detectadas sus carencias, se procede a plantear el objetivo general de esta tesis: analizar el comportamiento térmico de una solución constructiva que incorpore un elemento vegetal, a través de la monitorización de un prototipo experimental a escala real, así como, generar una herramienta flexible que permita predecir el comportamiento térmico de determinados tipos de fachadas vegetales, posibilitando su utilización en contextos diferentes al de estudio. Con el fin de elegir el sistema de fachada vegetal más adecuado para el estudio experimental, se realizan un análisis y una catalogación de los sistemas de fachadas vegetales existentes en el mercado. Para cada sistema, se destacan las principales características, las ventajas y los inconvenientes. Para evaluar la aplicabilidad del sistema a gran escala, se fijan unos criterios de selección basados en el grado de industrialización, la eficiencia energética y la sostenibilidad. Finalmente, se elige el sistema más adecuado para el estudio experimental: sistema con elementos modulares industrializados prevegetados compuestos por cajas contenedoras de sustrato y vegetación perenne. Como siguiente paso, se procede al diseño del experimento y se da comienzo a la fase experimental que comprende más de tres años, distinguiéndose dos etapas. En ambas, la experimentación se basa en la comparación de dos cerramientos idénticos cuya única diferencia está constituida por una capa de vegetación existente en uno de ellos. En una primera etapa, a través de un tratamiento estadístico de los datos, se analiza el comportamiento energético de un cerramiento sin aislante con el objetivo de caracterizar térmicamente el elemento vegetal (sustrato más vegetación), eliminado las variables relativas a la composición del cerramiento. En una segunda etapa, se monitoriza un cerramiento con aislante con el fin de verificar la efectividad energética del sistema vegetal en cerramientos aislados. Tras corroborar la eficacia energética de dicho sistema, incluso en cerramientos aislados, se concluye el trabajo con el desarrollo de un modelo de predicción del comportamiento térmico de determinados tipos de fachadas vegetales. El modelo, de rápida y sencilla utilización, permite estimar el comportamiento térmico de una fachada vegetal en función de la temperatura exterior, la humedad relativa del aire en el exterior y la irradiancia global. Dicho modelo, desarrollado a partir de los datos tomados durante la monitorización, ha sido validado experimentalmente mostrando un elevado grado de fiabilidad. ABSTRACT Mettere in atto strategie di promozione dell'e_cienza energetica e della sostenibilità nel settore delle costruzioni è un compito di fondamentale importanza che siamo chiamati a svolgere, come cittadini, professionisti e ricercatori. Questa tesi si colloca all'interno delle ricerche che, nella linea generale di sviluppo di sistemi che siano sia effcienti dal punto di vista energetico sia vantaggiosi dal punto di vista del miglioramento del comfort degli utenti, negli ultimi anni si sono occupate di indagare gli effetti sulle costruzioni e sull'ambiente derivati dall'applicazione di facciate verdi negli edifici. La ricerca si sviluppa partendo dall'analisi del ruolo che coperture e facciate verdi hanno avuto nel corso della storia dell'Architettura per poi giungere ad esaminare il loro ruolo nell'attualit_a: oltre a un roconosciuto valore estetico in maniera crescente queste tecnologie sono chiamate a svolgere una funzione architettonica propria. Ciò è dimostrato dalla crescente integrazione di superfici verdi sia a livello architettonico sia a livello urbano registrata negli ultimi anni, che è a sua volta conseguenza del graduale sviluppo di nuove ricerche sulle facciate verdi e della diffusione nel mercato di differenti sistemi. Dopo aver realizzato un'analisi dettagliata dei risultati ottenuti finora nel campo della ricerca e una volta individuate le loro carenze, si procede a fissare l'obiettivo generale di questa tesi: analizzare il comportamento termico di una soluzione costruttiva che incorpora un elemento di vegetale attraverso il monitoraggio di un prototipo sperimentale in scala reale, così come generare uno strumento essibile che consenta di prevedere il comportamento termico di alcuni tipi di facciate verdi, possibilitando il suo uso in contesti diversi da quello studiato. Al fine di scegliere il sistema di facciata verde pi_u adatto allo studio sperimentale, si effettua un'analisi e una catalogazione dei sistemi attualmente esistenti nel mercato. Per ogni sistema si mettono in evidenza le sue principali caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi, e si fissano criteri di selezione basati sul livello di industrializzazione del sistema, sulla sua efficienza energetica e sulla sostenibilità, con il fine ultimo di promuovere l'applicabilità del sistema a larga scala. Infine, si sceglie il sistema più adeguato per lo studio sperimentale: il sistema industrializzato modulare composto da pannelli prevegetati con substrato e vegetazione perenne. Come passo successivo, si procede allo sviluppo dell'esperimento e si dà inizio alla sperimentazione, composta da due fasi, che si sviluppa durante più di tre anni. In entrambe le fasi, la sperimentazione si basa sul confronto di due serramenti identici la cui unica differenza è costituita dallo strato di vegetazione presente in uno di essi. Nella prima fase, attraverso un trattamento statistico dei dati, si analizza il comportamento energetico di un involucro non isolato per caratterizzare termicamente l'elemento vegetale (vegetazione più substrato), eliminando le variabili relative alla composizione del serramento. Nella seconda fase, si studia un involucro isolato con il fine di verificare l'efficacia energetica del sistema verde in serramenti isolati. Dopo aver dimostrato che il sistema è effciente anche quando applicato in involucri isolati, il lavoro si conclude con lo sviluppo di un modello predittivo del comportamento termico di alcuni tipi di facciate verdi. Il modello, veloce e di semplice utilizzo, permette la stima del comportamento termico di una facciata verde conoscendo la temperatura esterna, l'umidità relativa esterna e l'irradianza globale. Questo modello, sviluppato a partire da dati di monitoraggio, è stato validato sperimentalmente mostrando un elevato grado di precisione.

Estudio de la contribución de la inercia térmica al comportamiento térmico de edificios

Dada la actual situación de crisis económica, la rehabilitación del parque edificado existente resulta fundamental por la reducción de los costes energéticos asociados al uso de la edificación, la disminución de las necesidades energéticas de los hogares y la reconversión del sector de la construcción. Es por ello que resulta imprescindible avanzar en el desarrollo de intervenciones que mejoren el comportamiento de la arquitectura existente. El objetivo de este trabajo es el estudio de las aportaciones de la inercia térmica al comportamiento térmico de los edificios. Esta investigación parte de la idea de que cualquier disposición de materiales en la conformación constructiva conlleva una posible acumulación de calor y regulación en el tiempo de las fluctuaciones de temperatura y que por tanto estas variables no pueden quedarse fuera de campo de estudio. La metodología de la investigación que aquí se presenta, se puede dividir en dos partes fundamentales: Una primera en la que se analiza en condiciones de laboratorio la influencia que ejerce la aportación de inercia térmica a un espacio de volumen conocido, en función exclusivamente de la capacidad de acumulación de energía. Para este primer análisis, se construye una probeta en el laboratorio, a través de la cual se realizan una serie de ensayos, en el que en primer lugar se caracterizan los equipos y la probeta, y a continuación se llevan a cabo variaciones de la masa térmica útil de la misma. Se monitorizan las variables y se analizan los resultados obtenidos mediante gráficas comparativas en función de diferentes parámetros que se establecen al comienzo de cada uno de los ensayos. En un segundo paso en la investigación, se evalúa la influencia de la inercia situada en los elementos que componen la envolvente de un módulo experimental evaluado mediante simulación energética. Para ello, se comparan los flujos energéticos que atraviesan cerramientos definidos con diferentes valores de masa térmica, pero con valores constantes de transmitancia térmica estacionaria, y bajo idénticas condiciones de contorno. Los resultados obtenidos, muestran la influencia de la masa térmica útil en la fluctuación térmica y la capacidad de acumulación de energía en los paramentos. Además de esto se determina la influencia de la disposición de la masa térmica en la composición constructiva de los cerramientos. Por último a partir de las conclusiones obtenidas en esta investigación se realiza una revisión crítica de los métodos de cálculo de las actuales normativas europeas.

Metodología de rehabilitación energética de barrios y regeneración urbana: aplicación al barrio Almenara

El origen de la investigación se basa en la necesid ad de intervención a nivel ambiental, económico y social, en el barrio Almenara de Tetuán , Madrid. El objetivo principal de la investigación es la búsqueda de una metodología de rehabilitación energética de barrios y regeneración urbana. Los objetivos secundarios so n la aplicación de la metodología al barrio reduciendo las demandas energéticas de modo directo, mediante la mejora de los parámetros característicos de la envolvente, y de m odo indirecto, mediante la aplicación de materiales fríos en cubierta y fachada, la intro ducción de envolventes vegetales, que aumenten la evapotranspiración y reduzcan la temper atura ambiental y la modificación de la morfología de la cubierta, incorporando zonas de estancia. Todo ello, en busca de un espacio urbano global. La metodología de trabajo comenzó con la caracterización histórica y normativa del área por medio de la cons ulta de publicaciones del Ministerio y Gerencia de Urbanismo. Y la caracterización edifica toria del barrio por medio de los Archivos de Documentación histórica. Desde el punto de vista medioambiental, se ha realizado un análisis climático, a partir de la dir ección y velocidad de los vientos y la radiación solar recibida por las superficies estruc turantes de pavimentación y cubiertas, así como las fachadas en los solsticios y equinocci os. Todo ello, analizando la localización de las zonas verdes actuales y futuras y su influen cia. Se ha analizado la movilidad del transporte público, la influencia de los ciclistas y accesibilidad de personas con movilidad reducida. Se han obtenido las lesiones como parámet ros en términos de condicionamiento térmico, a nivel urbano y edificat orio y se ha realizado un trabajo a nivel termográfico de la edificación. El análisis s ocial y poblacional se ha obtenido mediante una encuesta de elaboración propia sobre e l estado actual de la edificación, las condiciones de confort de los inquilinos, y la obte nción de indicadores de Vulnerabilidad Urbana a través de la aplicación de cartografía din ámica online denominada “Atlas de Vulnerabilidad Urbana de España”. Finalmente, se ha aplicado todo lo anterior al barrio Almenara a nivel urbano y edificatorio, sobre una m anzana residencial tipo, y sobre una vivienda característica, desde el punto de vista me dioambiental, económico y social.

Rehabilitación energética de fachadas: Propuesta metodológica para la evaluación de soluciones innovadoras, basándose en el diagnóstico de viviendas sociales construidas entre 1940 y 1980

Se propone una metodología para la evaluación de soluciones constructivas de fachada para la rehabilitación de viviendas sociales, construidas entre el final de la Guerra Civil y la entrada en vigor de la norma básica NBE-CT-79, sobre condiciones térmicas en edificios. La metodología parte por un lado del análisis del estado actual en las viviendas, y por otro de la caracterización de las soluciones constructivas de rehabilitación, para la evaluación conjunta de las posibles mejoras. Esta evaluación persigue valorar su repercusión en la calidad del ambiente interior, y en la reducción de la demanda energética para acondicionamiento térmico. Se aplica sobre dos viviendas tipo que se han monitorizado en Madrid, utilizando dos soluciones innovadoras para rehabilitación energética, que disponen de documentos de idoneidad DIT y DITE. Una incorpora sobre la fachada tipo un aislamiento por el exterior, y otra incorpora un sistema de fachada ventilada, también sobre esta fachada tipo. El análisis de las viviendas se ha realizado a partir de la toma de datos, ensayos y estudio de detalle, llevados a cabo a lo largo de los años 2014 y 2015. El análisis de los sistemas de fachada se ha realizado a partir de ensayos controlados, comparando los resultados para tres tipos de fachada: una fachada tipo, habitual en la construcción de las viviendas de este periodo, y las dos soluciones innovadoras mencionadas. Una vez realizado el diagnóstico de las viviendas y el análisis de los ensayos de los sistemas constructivos, los resultados obtenidos se utilizan para generar los modelos de simulación sobre los que evaluar las mejoras. El periodo de estudio comprende cuatro décadas que comienzan en 1940, en un momento con escasos medios técnicos para la construcción, y que coincide con el comienzo del crecimiento en las grandes ciudades, y finaliza con la incorporación en la normativa de las exigencias de aislamiento en fachadas, de 1979. En la ciudad de Madrid las viviendas construidas en este periodo, suponen un 45% del total de viviendas censadas en 2011. La rehabilitación energética se ha ido incorporando en los sucesivos planes nacionales de vivienda como actuación protegida, y son muchos y muy diversos los planes de acción desde la administración en materia de vivienda social, tanto a nivel nacional como europeo. La vivienda queda incluida en materia de desarrollo y cohesión urbana, territorial y social, haciendo necesario un enfoque integrado. Los barrios de vivienda social forman parte de un patrimonio construido en los que los criterios de sostenibilidad toman especial interés y relevancia, ya que a través del tiempo se han construido como actores y testigos de su historia social, económica, ambiental y cultural. El diseño de los modelos y actuaciones de futuro se sustenta en la asimilación de esa complejidad y diversidad adquirida. Por otro lado, el actual reto que impone el calentamiento global obliga a plantear escenarios de adaptación y mejora en estos edificios, con una especial atención a la dependencia energética, el consumo de recursos, y emisiones de gases de efecto invernadero. La fachada es el elemento más importante de la envolvente en los edificios multifamiliares, siendo el lugar donde se produce el intercambio entre el ambiente interior y exterior. Su rehabilitación puede mejorar las prestaciones de habitabilidad en las viviendas, y disminuir la demanda de energía para alcanzar unas condiciones de confort estándar. El trabajo de investigación que se ha realizado, forma parte de una linea de investigación abierta sobre sistemas constructivos y habitabilidad en edificación. ABSTRACT A methodology for the evaluation of facade’s constructive solutions for social housing refurbishment, built between the end of the Civil War, and the entry into force of the basic standard NBE-CT-79 on thermal conditions in buildings is proposed. This methodology starts both with the analysis of the current status in dwellings, and with the characterization of rehabilitation’s constructive solutions performance, for the integrated assessment of improvements. The evaluation seeks to assess their impact on the indoor environmental quality, and on reducing the energy demand for thermal conditioning. The methodology is applied to two standard dwellings, that have been monitored in Madrid, with two innovative solutions for energy refurbishment, which have DIT and DITE assessment documents. One incorporates an exterior insulation, and the other incorporates a ventilated facade system. The analysis of the dwellings was made from data collection, testing and detailed study, conducted throughout 2014 and 2015. Analysis of the facade systems was made from controlled trials comparing the results for three types of façade: a standard usual facade common in the construction of this period, and the two innovative solutions mentioned. Based on the diagnosis of housing and systems analysis, the results are used to generate simulation models on which assess the improvements. The study period comprises four decades starting in 1940, at a time with limited technical resources for construction, which coincides with the beginning of growth in big cities, and ends with the incorporation in the 1979 legislation of the façade’s insulation requirements. In the city of Madrid the houses built in this period account for 45% of all households surveyed in 2011. As a “protected action” energy rehabilitation has been incorporated in successive national housing plans, and there are many and very different action plans from the Administration in the field of social housing, both at national and European level. An integrated approach is needed, due to the inclusion of housing in development and urban, territorial and social cohesion. Social housing neighborhoods are part of the built heritage. Sustainability criteria therefore are particularely relevant, since over time they have been built as actors and witnesses of their social, economic, environmental and cultural history. The design and performance of future models is based on the assimilation of this complexity and diversity acquired. On the other hand, the current challenge posed by global warming forces to consider scenarios for adaptation and improvement in these buildings, with particular attention to energy dependence, resource consumption, and greenhouse gas emissions. The facade is the most important element of the envelope in the multi-family buildings, being the place where the exchange occurs between the indoor and outdoor environments. Its rehabilitation can improve wellbeing in housing performance, and reduce energy demand to achieve standard comfort conditions. This research that has been done, is part of an open research line on construction and living conditions in buildings.

Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental

La presente tesis doctoral, “Aprovechamiento térmico de residuos estériles de carbón para generación eléctrica mediante tecnologías de combustión y gasificación eficientes y con mínimo impacto ambiental”, desarrolla la valorización energética de los residuos del carbón, estériles de carbón, producidos durante las etapas de extracción y lavado del carbón. El sistema energético se encuentra en una encrucijada, estamos asistiendo a un cambio en el paradigma energético y, en concreto, en el sector de la generación eléctrica. Se precipita un cambio en la generación y el consumo eléctricos. Una mayor concienciación por la salud está forzando la contención y eliminación de agentes contaminantes que se generan por la utilización de combustibles fósiles de la forma en la que se viene haciendo. Aumenta la preocupación por el cambio climático y por contener en 2°C el aumento de la temperatura de la Tierra para final de este siglo, circunstancia que está impulsando el desarrollo e implantación definitiva de tecnología de control y reducción de emisiones CO2. Generar electricidad de una manera sostenible se está convirtiendo en una obligación. Esto se materializa en generar electricidad respetando el medioambiente, de una forma eficiente en la utilización de los recursos naturales y a un coste competitivo, pensando en el desarrollo de la sociedad y en el beneficio de las personas. En la actualidad, el carbón es la principal fuente de energía utilizada para generar electricidad, y su empleo presenta la forma de energía más barata para mejorar el nivel de vida de cualquier grupo y sociedad. Además, se espera que el carbón siga presente en el mix de generación eléctrica, manteniendo una significativa presencia y extrayéndose en elevadas cantidades. Pero la producción de carbón lleva asociada la generación de un residuo, estéril, que se produce durante la extracción y el lavado del mineral de carbón. Durante décadas se ha estudiado la posibilidad de utilizar el estéril y actualmente se utiliza, en un limitado porcentaje, en la construcción de carreteras, terraplenes y rellenos, y en la producción de algunos materiales de construcción. Esta tesis doctoral aborda la valorización energética del estéril, y analiza el potencial aprovechamiento del residuo para generar electricidad, en una instalación que integre tecnología disponible para minimizar el impacto medioambiental. Además, persigue aprovechar el significativo contenido en azufre que presenta el estéril para producir ácido sulfúrico (H2SO4) como subproducto de la instalación, un compuesto químico muy demandado por la industria de los fertilizantes y con multitud de aplicaciones en otros mercados. Se ha realizado el análisis de caracterización del estéril, los parámetros significativos y los valores de referencia para su empleo como combustible, encontrándose que su empleo como combustible para generar electricidad es posible. Aunque en España se lleva extrayendo carbón desde principios del siglo XVIII, se ha evaluado para un período más reciente la disponibilidad del recurso en España y la normativa existente que condiciona su aplicación en el territorio nacional. Para el período evaluado, se ha calculado que podrían estar disponibles más de 68 millones de toneladas de estéril susceptibles de ser valorizados energéticamente. Una vez realizado el análisis de la tecnología disponible y que podría considerarse para emplear el estéril como combustible, se proponen cuatro configuraciones posibles de planta, tres de ellas basadas en un proceso de combustión y una de ellas en un proceso de gasificación. Tras evaluar las cuatro configuraciones por su interés tecnológico, innovador y económico, se desarrolla el análisis conceptual de una de ellas, basada en un proceso de combustión. La instalación propuesta tiene una capacidad de 65 MW y emplea como combustible una mezcla de carbón y estéril en relación 20/80 en peso. La instalación integra tecnología para eliminar en un 99,8% el SO2 presente en el gas de combustión y en más de un 99% las partículas generadas. La instalación incorpora una unidad de producción de H2SO4, capaz de producir 18,5 t/h de producto, y otra unidad de captura para retirar un 60% del CO2 presente en la corriente de gases de combustión, produciendo 48 tCO2/h. La potencia neta de la planta es 49,7 MW. Se ha calculado el coste de inversión de la instalación, y su cálculo resulta en un coste de inversión unitario de 3.685 €/kW. ABSTRACT The present doctoral thesis, “Thermal utilisation of waste coal for electricity generation by deployment of efficient combustion and gasification technologies with minimum environmental impact”, develops an innovative waste-to-energy concept of waste coals produced during coal mining and washing. The energy system is at a dilemma, we are witnessing a shift in the energy paradigm and specifically in the field of electricity generation. A change in the generation and electrical consumption is foreseen. An increased health consciousness is forcing the containment and elimination of pollutants that are generated by the use of fossil fuels in the way that is being done. Increasing concern about climate change and to contain the rise of global temperature by 2°C by the end of this century, is promoting the development and final implementation of technology to control and reduce the CO2 emission. Electricity generation in a sustainable manner is becoming an obligation. This concept materialised in generating electricity while protecting the environment and deployment of natural resources at a competitive cost, considering the development of society and people´s benefit. Currently, coal is the main source of energy employ to generate electricity, and its use represents the most cost competitive form of energy to increase the standard of living of any group or society. Moreover, coal will keep playing a key role in the global electricity generation mix, maintaining a significant presence and being extracting in large amounts. However, coal production implies the production of waste, termed waste coal or culm in Pennsylvania anthracite extraction, produced during coal mining and coal washing activities. During the last decades, the potential use of waste coal has been studied, and currently, in a limited amount, waste coal is used in roads construction, embankments and fillings, and to produce some construction materials. This doctoral thesis evaluates the waste to energy of waste coals and assesses its potential use to generate electricity, implementing available technology to minimise the environment impact. Additionally, it pursues the significant advantage that presents sulphur content in waste coal to produce sulphuric acid (H2SO4) as a byproduct of the waste-to-energy process, a chemical compound highly demanded by the fertiliser industry and many applications in other markets. It analyses the characteristics of waste coal, and assesses the significant parameters and reference values for its use as fuel, being its fuel use for electricity generation very possible. While mining coal is taking place in Spain since the 1700s, it has been evaluated for a more recent period the waste coal available in Spain and the existing legislation that affects its application and deploy to generate electricity in the country. For the evaluation period has been calculated that may be available more than 68 million tons of waste coal that can be waste-toenergy. The potential available technology to deploy waste coal as fuel has been evaluated and assessed. After considering this, the doctoral thesis proposes four innovative alternatives of facility configuration, three of them based on a combustion process and one in a gasification process. After evaluating the four configurations for its technological, innovative and economic interest, the conceptual analysis of one of alternatives, based on a combustion process, takes place. The proposed alternative facility developed has a capacity of 65 MW, using as fuel a mixture of coal and waste coal 80/20 by weight. The facility comprises technology to remove 99.8% SO2 present in the flue gas and more than 99% of the particles. The facility includes a unit capable of producing 18.5 t/h of H2SO4, and another capture facility, removing 60% of CO2 present in the flue gas stream, producing 48 tCO2/h. The net capacity of the power station is 49.7 MW. The facility unitary cost of investment is 3,685 €/kW.

Caracterización de la ventilación en la edificación residencial existente. Conciliación entre calidad del aire interior y eficiencia en la rehabilitación energética

La edificación residencial existente en España y en Europa se encuentra abocada a una rehabilitación profunda para cumplir los objetivos marcados en la estrategia europea para el año 2050. Estos, para el sector de la edificación, se proponen una reducción del 90% de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) respecto a niveles del año 1990. Este plan a largo plazo establece hitos intermedios de control, con objetivos parciales para el año 2020 y 2030. El objetivo último es aprovechar el potencial de reducción de demanda energética del sector de la edificación, del cual la edificación residencial supone el 85% en España. Dentro de estos requerimientos, de reducción de demanda energética en la edificación, la ventilación en la edificación residencial se convierte en uno de los retos a resolver por su vinculación directa a la salud y el confort de los ocupantes de la misma, y al mismo tiempo su relación proporcional con la demanda energética que presenta el edificio asociada al acondicionamiento térmico. Gran parte de las pérdidas térmicas de la edificación residencial se producen por el aire de renovación y la infiltración de aire a través de la envolvente. La directiva europea de eficiencia energética de la edificación (EPBD), que establece las directrices necesarias para alcanzar los objetivos de este sector en cuanto a emisiones de CO2 y gases de efecto invernadero (GEI), contempla la ventilación con aire limpio como un requisito fundamental a tener en cuenta de cara a las nuevas construcciones y a la rehabilitación energética de los edificios existentes. El síndrome del edificio enfermo, un conjunto de molestias y síntomas asociados a la baja calidad del aire de edificios no residenciales que surgió a raíz de la crisis del petróleo de 1973, tuvo su origen en una ventilación deficiente y una renovación del aire interior insuficiente de estos edificios, producto del intento de ahorro en la factura energética. Teniendo en cuenta que, de media, pasamos un 58% de nuestro tiempo en las viviendas, es fundamental cuidar la calidad del aire interior y no empeorarla aplicando medidas de “eficiencia energética” con efectos no esperados. Para conseguir esto es fundamental conocer en profundidad cómo se produce la ventilación en la edificación en bloque en España en sus aspectos de calidad del aire interior y demanda energética asociada a la ventilación. El objetivo de esta tesis es establecer una metodología de caracterización y de optimización de las necesidades de ventilación para los espacios residenciales existentes en España que aúne el doble objetivo de garantizar la calidad ambiental y reducir la demanda energética de los mismos. La caracterización del parque edificatorio residencial español en cuanto a ventilación es concluyente: La vivienda en España se distribuye principalmente en tres periodos en los que se encuentran más del 80% del total de las viviendas construidas. El periodo anterior a las normas básicas de la edificación (NBE), de 1960 a 1980, el periodo desde 1980 al año 2005, con el mayor número total de viviendas construidas, guiado por la NTE ISV 75, y el periodo correspondiente a la edificación construida a partir del Código Técnico de la Edificación, en 2006, cuyo documento básico de condiciones de salubridad (DB HS3) es la primera norma de obligado cumplimiento en diseño y dimensionamiento de ventilación residencial en España. La selección de un modelo de bloque de viviendas de referencia, un valor medio y representativo, seleccionado de entre estos periodos, pero con cualidades que se extienden más allá de uno de ellos, nos permite realizar un intensivo análisis comparativo de las condiciones de calidad de aire interior y la demanda energética del mismo, aplicando las distintas configuraciones que presenta la ventilación en viviendas dependiendo del escenario o época constructiva (o normativa) en que esta fuera construida. Este análisis se lleva a cabo apoyándose en un doble enfoque: el modelado numérico de simulaciones y el análisis de datos experimentales, para comprobar y afinar los modelos y observar la situación real de las viviendas en estos dos aspectos. Gracias a las conclusiones del análisis previo, se define una estrategia de optimización de la ventilación basada fundamentalmente en dos medidas: 1) La introducción de un sistema de extracción mecánica y recuperación de calor que permita reducir la demanda energética debida a la renovación del aire y a la vez diluir los contaminantes interiores más eficazmente para mejorar, de esta forma, la calidad del ambiente interior. 2) La racionalización del horario de utilización de estos sistemas, no malgastando la energía en periodos de no ocupación, permitiendo una leve ventilación de fondo, debida a la infiltración, que no incida en pérdidas energéticas cuantiosas. A esta optimización, además de aplicar la metodología de análisis previo, en cuanto a demanda energética y calidad del aire, se aplica una valoración económica integradora y comparativa basada en el reglamento delegado EU244/2012 de coste óptimo (Cost Optimal Methodology). Los resultados principales de esta tesis son: • Un diagnóstico de la calidad del aire interior de la edificación residencial en España y su demanda energética asociada, imprescindible para lograr una rehabilitación energética profunda garantizando la calidad del aire interior. • Un indicador de la relación directa entre calidad de aire y demanda energética, para evaluar la adecuación de los sistemas de ventilación, respecto de las nuevas normativas de eficiencia energética y ventilación. • Una estrategia de optimización, que ofrece una alternativa de intervención, y la aplicación de un método de valoración que permite evaluar la amortización comparada de la instalación de los sistemas. ABSTRACT The housing building stock already built in Spain and Europe faces a deep renovation in the present and near future to accomplish with the objectives agreed in the European strategy for 2050. These objectives, for the building sector, are set in a 90% of Green House Gases (GHG) reduction compared to levels in 1990. This long‐term plan has set milestones to control the correct advance of achievement in 2020 and 2030. The main objective is to take advantage of the great potential to reduce energy demand from the building sector, in which housing represents 85% share in Spain. Among this reduction on building energy demand requirements, ventilation of dwellings becomes one of the challenges to solve as it’s directly connected to the indoor air quality (IAQ) and comfort conditions for the users, as well as proportional to the building energy demand on thermal conditioning. A big share of thermal losses in housing is caused by air renovation and infiltration through the envelope leaks. The European Directive on Building energy performance (EPBD), establishes the roots needed to reach the building sector objectives in terms of CO2 and GHG emissions. This directive sets the ventilation and renovation with clean air of the new and existing buildings as a fundamental requirement. The Sick Building Syndrome (SBS), an aggregation of symptoms and annoys associated to low air quality in non residential buildings, appeared as common after the 1973 oil crisis. It is originated in defective ventilation systems and deficient air renovation rates, as a consequence of trying to lower the energy bill. Accounting that we spend 58% of our time in dwellings, it becomes crucial to look after the indoor air quality and focus in not worsening it by applying “energy efficient” measures, with not expected side effects. To do so, it is primary to research in deep how the ventilation takes place in the housing blocks in Spain, in the aspects related to IAQ and ventilation energy demand. This thesis main objective is to establish a characterization and optimization methodology regarding the ventilation needs for existing housing in Spain, considering the twofold objective of guaranteeing the air quality as reducing the energy demand. The characterization of the existing housing building stock in Spain regarding ventilation is conclusive. More of 80% of the housing stock is distributed in 3 main periods: before the implementation of the firsts regulations on building comfort conditions (Normas Básicas de la Edificación), from 1960 to 1980; the period after the first recommendations on ventilation (NTE ISV 75) for housing were set, around 1980 until 2005 and; the period corresponding to the housing built after the existing mandatory regulation in terms of indoor sanity conditions and ventilation (Spanish Building Code, DB HS3) was set, in 2006. Selecting a representative blueprint of a housing block in Spain, which has medium characteristics not just within the 3 periods mention, but which qualities extent beyond the 3 of them, allows the next step, analyzing. This comparative and intense analyzing phase is focused on the air indoor conditions and the related energy demand, applying different configurations to the ventilation systems according to the different constructive or regulation period in which the building is built. This analysis is also twofold: 1) Numerical modeling with computer simulations and 2) experimental data collection from existing housing in real conditions to check and refine the models to be tested. Thanks to the analyzing phase conclusions, an optimization strategy on the ventilation of the housing stock is set, based on two actions to take: 1) To introduce a mechanical exhaust and intake ventilation system with heat recovery that allows reducing energy demand, as improves the capacity of the system to dilute the pollutant load. This way, the environmental quality is improved. 2) To optimize the schedule of the system use, avoids waste of energy in no occupancy periods, relying ventilation during this time in a light infiltration ventilation, intended not to become large and not causing extra energy losses. Apart from applying the previous analyzing methodology to the optimization strategy, regarding energy demand and air quality, a ROI valorization is performed, based on the cost optimal methodology (delegated regulation EU244/2012). The main results from the thesis are: • To obtain a through diagnose regarding air quality and energy demand for the existing housing stock in Spain, unavoidable to reach a energy deep retrofitting scheme with no air quality worsening. • To obtain a marker to relate air quality and energy demand and evaluate adequateness of ventilation systems, for the new regulations to come. • To establish an optimization strategy to improve both air quality and energy demand, applying a compared valorization methodology to obtain the Return On Investment (ROI).

Aplicación de los documentos reconocidos de evaluación de la demanda y certificación energética en España, para el diseño y análisis de tejidos urbanos : el caso de la intervención en barrios partiendo de criterios acústicos

El presente trabajo, trata del ahorro de energía en la edificación y en el urbanismo. Las premisas en este caso, son un contexto normativo europeo y nacional muy exigentes y encaminados de manera decidida hacia edificios cada vez más eficientes y económicos. Se centra el estudio en las decisiones iniciales que se adoptan sobre las condiciones de ocupación de la parcela urbana, las tipologías edificatorias más adecuadas, su morfología y escala y las consecuencias que tienen para el comportamiento energético final, tanto en términos objetivos como normativos. Se trata de cuantificar que suponen estas decisiones en términos de ahorro energético. Todo el análisis se realiza para un contexto climático concreto, el de la ciudad de Madrid. Para los análisis de las diferentes condiciones de implantación objeto del estudio, se han empleado unas herramientas informáticas singulares. Se trata de los programas de evaluación de la demanda y certificación energética de edificios, que el gobierno español pone a disposición de los usuarios de manera gratuita. Estas, son aplicaciones pensadas para la escala del edificio y/o parte de él, pero que con la metodología y simplificaciones que en el trabajo se detallan, pueden ser empleadas en la escala media de intervención urbana, tanto en nueva implantación como en rehabilitación. Hay que tener en cuenta que son estas aplicaciones las que se utilizarán en la mayoría de los casos como instrumento de evaluación y calificación del comportamiento energético de cada una de las unidades. Las tipologías objeto del estudio son: - Vivienda unifamiliar: aislada, pareada y adosada en hilera. - Bloque abierto - Bloque en H - Bloque en cruz - Torre - Manzana cerrada El contenido principal del trabajo se centra en el análisis individual de cada tipología y de su agrupación teórica sobre lo que podíamos llamar "unidad urbana", una manzana tipo de 10.000 m2, 1 ha. Se opta por esta unidad por tratarse de una superficie urbana lo suficientemente amplia para caracterizar la agrupación de las diferentes tipologías estudiadas y por adaptarse a las capacidades de las herramientas informáticas que se han utilizado. Se han analizado diferentes opciones tipológicas de ocupación, manteniendo constantes en todas las soluciones estudiadas, los siguientes parámetros: • el clima (Madrid), • la edificabilidad (en todas menos una en la que el modelo no permite alcanzar la edificabilidad de referencia), • la pureza formal del modelo, evitando los juegos compositivos de retranqueos y salientes de la envolvente que distorsionen el comportamiento de la volumetría primaria, • las soluciones constructivas de la envolvente y particiones interiores de los edificios, • las proporciones de huecos en la envolvente, • las soluciones de sus carpinterías y vidrios • y todas las condiciones operacionales que aplica el programa de simulación. Esta tesis, es un estudio analítico y evaluado, del comportamiento de cada uno de los tipos, su forma y posicionamiento en el espacio. Cada uno de los modelos se simula de manera individual y agrupados, con el fin de conseguir colmatar la edificabilidad de referencia sobre la parcela urbana de 1 ha. Todos los resultados se estudian de forma independiente y los resultados se expresan en diferentes tablas y un resumen en fichas individuales por tipos. La conclusión principal del trabajo es que la tipología elegida como contenedor residencial urbano determina en su elección acertada la primera medida de ahorro energético y reducción de emisiones cuantificables en más del 50% entre las tipologías más favorables y las más desfavorables. Una segunda parte del trabajo de investigación, consiste en la aplicación de esta metodología de simulación y empleando las mismas herramientas, en el estudio de casos reales en la comunidad de Madrid (principalmente en la ciudad de Madrid). El objetivo es validar el procedimiento y dichas herramientas, también para el caso de evaluación de tejidos urbanos consolidados. Como caso singular de estudio de rehabilitación urbana, se analizan las intervenciones de rehabilitación partiendo de criterios acústicos y las oportunidades que plantearía la inclusión de criterios térmicos aprovechando la sinergia entre ambas demandas, la de confort acústico y térmico. ABSTRACT This PhD work is about saving energy in buildings and urban planning. The premises in this case are a very demanding European and national policy, aimed decisively towards efficient and economic buildings. The study focuses on the initial decisions taken on the conditions of occupation of urban land, the most suitable building types, their morphology and scale and the implications for the final energy performance, always considering policy objectives. This essay tries to quantify how important this decisions are in energy savings terms. All analysis are performed for a particular climatic context, the city of Madrid. For the analysis of different implantation conditions under study, we have used a unique software tool. This software, a free tool available online, quantifies demand assessment and energy certification of buildings. It is designed for building scale and / or part of it. With the methodology and simplifications detailed in this paper, the software can be used in medium scale urban intervention. There are different types under study such as, isolated house, semi-detached, terraces row, open block, h block, cross block, tower, etc. The main content of the work focuses on the individual analysis of each type and its theoretical group, named urban unit group. This unit is chosen because it is an urban area large enough to characterize the grouping of the different types studied. It is also possible to simulate with the software tools. Different options of typological occupation have been analyzed taking in consideration the next parameters: climate, floor area, model formal purity, building envelope solutions and interior partitions of buildings, the proportions of voids in the facades. This thesis is an analytical and evaluated study of the behavior of each types, form and position in space. Each of the models is simulated individually and grouped, in order to get the reference buildable urban plot of 1 ha. All results are studied independently and the results are expressed in different tables and a summary in individual files by type. The main conclusion of the study is that the type chosen as urban residential container you choose determines the first step in successful energy savings and quantifiable reduction of emissions by more than 50% in the most favorable and the most unfavorable types. A second part of the research, is the application of this methodology and simulation using the same tools in the study of real cases in the community of Madrid (mainly in the city of Madrid). The aim is to validate the procedure and such tools, also for the case of evaluation of consolidated urban fabric. As a unique case study of urban renewal, rehabilitation interventions based on acoustic criteria and opportunities arise thermal criteria including leveraging the synergy between the two demands, acoustic and thermal comfort are analyzed.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.

Estudo do comportamento térmico de edifícios : análise da influência da orientação e inércia térmica

A recente transposição da directiva europeia relativa ao Desempenho Energético dos Edifícios (2002/91/CE) e posteriormente a (2010/31/EU) pelo Decreto-Lei n.º 118/2013 de 20 de Agosto, incluiu num único diploma o Sistema de Certificação Energética dos Edifícios (SCE), o Regulamento do Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação (REH) e o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e Serviços (RECS), introduzindo desta forma novos parâmetros de conforto interior para os edifícios a construir em Portugal. A necessidade e a curiosidade em aprofundar o estudo do desempenho energético de edifícios, em particular em dois parâmetros que influenciam o cálculo, a inércia térmica e a orientação solar, esteve na base da escolha deste trabalho. Neste sentido foram estudadas várias soluções construtivas correntes da nossa construção para se conseguir compreender a variação da inércia térmica das duas moradias em estudo e assim determinar a influência que tem a inércia térmica no conforto interior. Foi também tido em conta neste estudo, a variação da orientação solar e a sua influência nos ganhos térmicos para a estação de aquecimento e arrefecimento. Deste modo conseguiu-se aferir a influência que a energia solar tem nos cálculos do conforto interior para as várias orientações solares. Por curiosidade calcularam-se também os dados das moradias sem obstruções solares de modo a fazer uma comparação com e sem os elementos que provocam sombreamento nos vãos solares. Por último utilizou-se o software Design Builder para fazer a simulação dinâmica das moradias e comparar com os resultados obtidos do cálculo regulamentar do REH.

Avaliação do potencial de reabilitação de zonas urbanas antigas-degradadas : aplicação ao caso da Baixa de Coimbra

A reabilitação urbana consiste numa forma de intervenção incorporada sobre a zona urbana existente, em que o património urbanístico é mantido, num todo ou em parte substancial, e modernizado através da realização de obras de remodelação ou beneficiação dos sistemas de infraestruturas urbanas, reconstrução, ampliação, alteração, conservação ou demolição dos edifícios. Em Portugal, ao contrário dos restantes países da união europeia, a reabilitação urbana ainda tem pouca expressão. O objetivo central da presente dissertação é o desenvolvimento de uma avaliação comparativa dos custos de intervenção (execução de obras de reabilitação) para diferentes níveis de estado de conservação de edifícios. Para tal, utiliza-se um caso real de estudo na baixa de Coimbra, mais concretamente dos 27 edifícios da Rua da Moeda, dos quais se efetuou o estudo do estado de conservação. Selecionaram-se cinco edifícios, um por cada um dos diferentes níveis do estado de conservação / tipo de intervenção (Muito ligeira, Ligeira, Média, Grave e Muito Grave) e quantificou-se o custo das obras de reabilitação que seria necessário efetuar para restabelecer em cada um destes edifícios as condições adequadas de habitabilidade, conforto e segurança. Uma vez que as questões relativas à segurança e eficiência energética são cada vez mais um assunto central da agenda pública e política mundial, bem assim, como as relativas à preservação do ambiente, pareceu ainda interessante, procurar estimar a energia incorporada e as emissões de CO2 associadas a cada um dos referidos níveis de intervenção e comparar estes valores com os obtidos para o caso de uma nova construção. Tentou-se, ainda, perceber para quais dos níveis de conservação dos edifícios será economicamente e ambientalmente mais vantajoso reabilitar, do que simplesmente optar por demolir e construir de novo.

Recanto do vale do pium: condomínio de habitações com ênfase no baixo impacto ambiental e no desempenho térmico do ambiente construído

This work describes the design process of a small recreational gated community in Pium, Nísia Floresta/RN, from concept to final design stages, with emphasis on low environmental impact, thermal comfort and the spatial quality of housing. The process consisted in a review of the literature and relevant standards, studies of design references and architectural programming. The project development was initially focused on the project’s feasibility, with the definition of the number of units, implantation, size and location of the dwellings and the common areas of the development. Two types of houses (four low rise and five duplex units) have been proposed in order to attend the premises of architectural programming. The conception of the architectural design began with the rooms’ zoning according to the lots. This resulted in the pre-selection of three alternatives that were evaluated in terms of spatial quality and environmental performance. The development of sketches focused on the envelope consistent with the bioclimatic guidelines and on the language of the compatible proposal with the lowest possible environmental impact of the building system, which resulted in the selection of the eucalyptus wood type. During the working drawings, the Quality Technical Regulation for the Level of Energy Efficiency Residential Buildings (RTQ -R) was adopted for the evaluation of the envelope, which resulted in "B" level of efficiency for the first case. After minor adjustments, mainly in frames, the efficiency level rose to "A", demonstrating that early project decisions contributed to the envelope energy performance. Besides the design of the two types of units, the final proposal of the gated community includes the design of the equipment for the common areas (entrance, multipurpose room and support and service sector), and the descriptive texts explaining the project and construction’s details.

A influência de decisões arquitetônicas na eficiência energética do Campus vol. 1/UFRN

Building design is an effective way to achieve HVAC energy consumption reduction. However, this potentiality is often neglected by architects due to the lack of references to support design decisions. This works intends to propose architectural design guidelines for energy efficiency and thermal performance of Campus/UFRN buildings. These guidelines are based on computer simulations results using the software DesignBuilder. The definition of simulation models has begun with envelope variables, partially done after a field study of thirteen buildings at UFRN/Campus. This field study indicated some basic envelope patterns that were applied in simulation models. Occupation variables were identified with temperature and energy consumption monitoring procedures and a verification of illumination and equipment power, both developed at the Campus/UFRN administration building. Three simulation models were proposed according to different design phases and decisions. The first model represents early design decisions, simulating the combination of different types of geometry with three levels of envelope thermal performance. The second model, still as a part of early design phase, analyses thermal changes between circulation halls lateral and central and office rooms, as well as the heat fluxes and monthly temperatures in each circulation hall. The third model analyses the influence of middle-design and detail design decisions on energy consumption and thermal performance. In this model, different solutions of roofs, shading devices, walls and external colors were simulated. The results of all simulation models suggest a high influence of thermal loads due to the incidence of solar radiation on windows and surfaces, which highlights the importance of window shading devices, office room orientation and absorptance of roof and walls surfaces

Análise energética em central fixa de produção de massas asfálticas

O consumo energético nas indústrias é algo que tem de ser monitorizado, avaliado e orientado, visando a eficiência energética e sustentabilidade, de modo não só a reduzir o consumo de combustíveis fósseis, mas também a auxiliar a redução da fatura económica. O presente trabalho teve como principal objetivo uma análise energética, e incorpora a caracterização térmica dos materiais utilizados na indústria de produção de massas asfálticas, e o desenvolvimento de um modelo térmico que preveja o comportamento dos mesmos, na produção de massas asfálticas, em central fixa com incorporação de material reciclado a frio. Primariamente o estudo passou pela análise dos consumos energéticos da instalação, caracterizando-a segundo o Decretolei 71/2008, de 15 de Abril, tendo-se constatado, que o consumo de gás natural se evidencia como uma das principais fontes de energia e um dos principais responsáveis pela emissão de GEE (Gases de Efeito de Estufa). Posteriormente o consumo de gás natural foi distribuído pelos pontos consumidores, o cilindro exsicador e a caldeira de aquecimento de óleo térmico. O cilindro exsicador é o principal consumidor energético, com um consumo próximo de 90% do gás natural total. Seguidamente foi realizada uma caracterização dos materiais utilizados na produção de massas asfálticas segundo o DSC (Differential Scanning Calorimetry). Os materiais analisados foram o reciclado/fresado, o calcário, o pó de calcário, o seixo, a areia e o granito. Os resultados dos materiais secos demonstraram que o material com maior cp (calor específico) foi a areia e o menor o calcário. Nos resultados dos materiais saturados observou-se que o seixo apresenta maior facilidade de remoção de humidade e o reciclado/fresado apresenta menor. Por último, foi realizado um modelo térmico com utilização de um balanço mássico e energético ao processo de secagem e sobreaquecimento dos agregados no cilindro exsicador. Conclui-se que as principais influências no consumo de gás natural, na produção de massas asfálticas com inclusão de material reciclado a frio, são: a necessidade energética de aquecimento em função da temperatura a obter, e a energia necessária para remover o conteúdo em humidade presente nos diversos materiais (fresado e agregados).

Otimização do comportamento térmico de edifícios do tipo LSF

No panorama energético atual, medidas de desenvolvimento sustentável têm uma preponderância cada vez mais significativa e, sendo os edifícios responsáveis por 40% da energia consumida na EU, enquadra-se o desafio de integrar medidas de eficiência energética nos novos edifícios desde a fase de conceção. Sendo que este setor se encontra em contínua expansão, a redução dos consumos passará largamente pela otimização do comportamento térmico dos edifícios e dos sistemas energéticos que os equipam. No presente trabalho estudou-se o papel da inércia térmica na redução das necessidades de energia para climatização de edifícios com o objetivo de identificar estratégias destinadas ao melhoramento do comportamento térmico e desempenho energético de edifícios construídos com recurso à técnica construtiva LSF, caracterizados por uma fraca inércia térmica quando comparados com edifícios em tudo semelhantes mas construídos recorrendo a tecnologias convencionais sem esquecer as questões relacionadas com a respetiva viabilidade económica. Com resultado geral destaca-se desde logo a importância do local onde é mais benéfico adicionar massa térmica (paredes exteriores, cobertura, paredes interiores), assim como a necessidade de utilização de um material com elevada densidade energética e baixo custo. A análise comparativa dos diferentes modelos de edifício simulados com recurso ao software DesignBuilder/EnergyPlus, foi realizada recorrendo a uma metodologia em que cada modelo construtivo é avaliado considerando quatro níveis de isolamento térmico e duas condições de cargas térmicas internas. A análise energética e económica foi realizada tendo como referência um período de 20 anos. O custo das soluções construtivas foi maioritariamente obtido através da ferramenta computacional Gerador de Preços, da Cype, SA©, tendo-se considerado um consumo energético anual constante e igual às necessidades de climatização anuais, assim como taxas de atualização de capital e de inflação do custo da energia constantes. De uma forma geral conclui-se que edifícios do tipo LSF melhorados através da adição criteriosa de massa térmica em determinados elementos construtivos, apresentam necessidades de climatização anuais na maioria dos casos estudados, inferiores àquelas verificadas em edifícios convencionais com inércia térmica média/forte. Conclui-se, também, que o método construtivo LSF se apresenta mais eficaz em termos energéticos e económicos quando comparado com soluções semelhantes construídas com recurso a um método convencional. Na secção seguinte são identificadas as principais conclusões deste trabalho.

Análise do custo-benefício de sistemas de cobertas em edificações comerciais para o clima de Natal/RN visando eficiência energética

This research consists in studying the influence of the various type of construction systems of roofs with their energy efficiency as well as on the cost benefit for the commercial buildings on the temperatures condition of the city of Natal/RN. The main goal of this research is to analyze the cost benefit of the construction systems of roofs available on the market, taking into consideration the energy efficiency of the commercial buildings artificially air conditioned in order to be used by the projectors and to be adequated to the temperatures condition of the city of Natal/RN. The method of valuation of the cost benefit of roof systems consists in six steps: Features and simulation of the reference building; Analyze of sensitivity; Analyzes, features and simulation of alternatives of roof construction systems; Analyze of the cost of implementation; Analyze of the benefits of the alternatives comparing to the base case; And finally the analyze of the cost benefit. The model type chosen as reference was stores with pre molded buildings and system of roof with fiber ciment and ceiling . The thermal results showed the influence of the roof system on the energy efficiency of the building. The Final results of the simulations of the alternatives comes to a conclusion that the absortance is the variable that presents the best cost benefit relation and the reduction on the thermal transmittance still has limitations because of the high cost