Eficiencia Energética y Caracterización Térmica de Elementos Constructivos. Células Paslink

INAUGURACION DE LA JORNADA

IÑAKI ARRIOLA Consejero de Vivienda Obras Públicas y Transportes GOBIERNO VASCO / EUSKO JAURLARITZA

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LAS CELULAS PASLINK COMO HERRAMIENTA PARA EL CUMPLIMIENTO DEL CTE

Dr. Ing. Ind. José María Sala Lizarraga Catedrático de Termodinámica Dpto. Máquinas y Motores Térmicos UPV/EHU

Responsable Área Térmica LCCE VITORIA-GASTEIZ 2010 LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION DEL GOBIERNO VASCO

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EL ÁREA DE TÉRMICA DEL LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION Etxegintzaren Kalitatea Kontrolatzeko Laborategia Agirrelanda, 10 01013 Vitoria-Gasteiz (Alava) Tfno : 945 268933 Fax : 945 289921 E-mail: [email protected]

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CREACIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA

Departamento de Vivienda y Asuntos Sociales del Gobierno Vasco

LCCE

Área de Materiales

Área de Acústica

Área de Térmica

Convenio Mayo 2005

OBJETIVOS - Certificación del comportamiento térmico materiales y elementos de construcción. - Asesoramiento para la mejora y desarrollo de productos. - Apoyo a proyectistas y promotores. - Elaboración de bases de datos. - Investigación y Desarrollo.

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UPV / EHU

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EL MARCO ENERGÉTICO NBE – CT 79 L.O.E. LEY 38/1999

CTE

Directiva 2002/91/CE

HE

RD 314/2006

RITE RD 1027/2007

Cert.Ef.Energ. RD 47/2007

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EXIGENCIAS DEL CTE TRANSMITANCIA TÉRMICA Y FACTOR SOLAR

PERMEABILIDAD AL AIRE La permeabilidad de las carpinterías de los huecos y lucernarios de los cerramientos que limitan los espacios habitables de los edificios con el ambiente exterior se limitan en función de la zona climática.

- Para las zonas climáticas A y B

50 m3/h·m2

CLASE 1

- -- Para las zonas climáticas C, D y E

27 m3/h·m2

CLASE 2

CONDENSACIONES INTERSTICIALES Y SUPERFICIALES Limitar la presencia de condensaciones intersticiales y superficiales Necesidad de conocer el factor de resistencia a la difusión del vapor de agua de los materiales

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EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA MEDIDA DE LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Método de la placa caliente guardada (EN 12667:2002 y UNE 92201:1989)

Método de la lámina calefactora (ASTMC- 1114 – 06)

Método del flujo de calor (UNE-EN 12667)

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EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA MEDIDA DE LA TRANSMITANCIA TÉRMICA

Medida de la transmitancia térmica de cerramientos opacos (UNE 92204:1995)

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EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA

MEDIDA DE LA TRANSMITANCIA TÉRMICA Medida de la transmitancia térmica de ventanas (UNE EN ISO12567:2002)

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EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA

EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA LABORATORIO DE PROPIEDADES HIGROTÉRMICAS

- Ensayo de saturación al vacío (NBN B 24-213)

-

Ensayo de la isoterma de adsorción/desorción (UNE-EN ISO 12571:2000)

Sistema de absorción capilar

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EVOLUCIÓN DEL ÁREA DE TÉRMICA LABORATORIO DE PROPIEDADES HIGROTÉRMICAS Ensayo de permeabilidad al vapor Modelización 3D estructura porosa (UNE-EN ISO 12572: 2002)

Porosímetro de mercurio

Amortiguamiento y penetración de la humedad Secado de materiales

Simulación dinámica del transporte de humedad

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EVOLUCIÓN DEL DE TÉRMICA EVOLUCIÓN DEL ÁREA DEÁREA TÉRMICA COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO DEL EDIFICIO Medida de resistencia de cerramientos “in situ” (fluximetría) Medida y simulación de caudales de ventilación Termografía infrarroja

Simulación de edificios

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DECISIONES RECIENTES DE LA UE QUE AFECTAN AL SECTOR DE LA EDIFICIACIÓN MANDATOS DEL CONS. EUR. DE MARZO 2007

Resumen para los Edificios Edificios existentes en 2005

-

Consumo de los edificios: edificios: 800 Mtep/ Mtep/año - Ahorro del 20% 160 Mtep/ Mtep/año de ellos mismos

- Ahorro de ~25 Mtep/ Mtep/año de los nuevos en el periodo (2005/2020) Edificios existentes en 2005 y los nuevos en (2005/2020)

-

Inclusió Inclusión de ~30/40 Mtep/ Mtep/año adicionales de energí energías renovables

TOTAL DE LA ACCIÓ ACCIÓN A REALIZAR: ~215/225 Mtep/ Mtep/año CONSUMO TOTAL ES/GR/PORT/IRL: ~220 Mtep/ Mtep/año (año 2008)

¡DESAFÍO ENORME PARA EL SECTOR…! ¡…Y OPORTUNIDADES TAMBIÉN…!

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DIRECTIVA 2010/31/UE RELATIVA A LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DE LOS EDIFICIOS EDIFICIOS DE CONSUMO DE ENERGÍA CASI NULO

Objetivos fijados • 31/12/2020: Todos los edificios nuevos serán edificios de consumo de energía casi nulo • 31/12/2018: Todos edificios públicos serán edificios de consumo de energía casi nulo Para ello, se deberán elaborar Planes Nacionales

LA ESTRATEGIA ESPAÑOLA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA



Plan de Acción 2005-2007 Plan de Acción 2008-2012

MEDIDAS SECTOR EDIFICACIÓN

- Rehabilitación de la envolvente térmica de los edificios existentes (tanto con soluciones constructivas convencionales como no convencionales) - Mejora de la eficiencia energética de las instalaciones térmicas de los edificios existentes - Mejora de la eficiencia energética de las instalaciones de iluminación interior - Promover la construcción de nuevos edificios con alta calificación energética. - Aumento de los niveles de exigencia energética en la normativa edificatoria.

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EL RETO DE LOS EDIFICIOS DE CONSUMO DE ENERGÍA CASI NULO Debe asumirse que la precondición para la alta eficiencia es que la envolvente del edificio sea altamente eficiente y disponga de la inercia térmica adecuada para su doble funcionamiento día/noche e invierno/verano. Conseguir estos edificios dentro de un contexto de rentabilidad económica no es tarea fácil y supone la revisión y sobretodo la integración de numerosos aspectos vinculados a la energética edificatoria - diseño arquitectónico - fachadas y cubiertas inteligentes - equipos y sistemas innovadores apoyados por energías renovables - soluciones integrales de domótica

•

La respuesta a estos desafíos está en una nueva forma de hacer en todos los aspectos; es decir a buscar la INNOVACIÓN en su sentido más amplio usando todos los instrumentos

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LLEGAMOS A LAS CELDAS DE ENSAYO PASLINK

LLEGAMOS A LAS CELDAS DE ENSAYO PASLINK Necesidad de un equipo de ensayos que nos permita caracterizar el comportamiento térmico de los elementos de construcción en condiciones climáticas reales, evaluando su “inercia térmica”.

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LLEGAMOS A LAS CELDAS DE ENSAYO PASLINK

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EL ÁREA DE TÉRMICA DEL LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION Etxegintzaren Kalitatea Kontrolatzeko Laborategia Agirrelanda, 10 01013 Vitoria-Gasteiz (Alava) Tfno : 945 268933 Fax : 945 289921 E-mail: [email protected]

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Las Células de Ensayo Paslink a Nivel Europeo

Dr. Hans Bloem European Comission - DG Joint Research Centre. Institute for Energy

Renewable Energy Unit VITORIA-GASTEIZ 2010 LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION DEL GOBIERNO VASCO

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Dynamic Testing and Analysis Methods for Energy Performance Assessment J.J. BLOEM EC – Joint Research Centre

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 2

• OUTDOOR TESTING • DYNAMIC ANALYSIS METHODS • SIMULATION and PREDICTION DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 3

Topics • Outdoor Testing; Past, Present and Future • Dynamic nature of energy processes – Outdoor Testing, Analysis and Modelling

• System Identification techniques • Expertise and knowledge requirements • Quality Procedures – Experiment, data processing, analysis methods

• EU Directives and CEN Standards • Networking; INIVE, DYNASTEE and other DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 4

EUROPEAN COMMISSION EC DG Enterprise

EC DG TREN

European Directives Construction Product Directive (1989)

CEN

EOTA

(common products)

(innovative products)

Directive on Energy Performance (2002)

31 CEN standards on energy Express performances in line with CPD

Impose Energy Performance Regulation

Member states DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 5

EU ENERGY DIRECTIVES Kyoto agreement on reduction of CO2 emission • Directive 2001/77/EC Directive on Electricity produced from Renewable Energy Sources • Directive 2006/32/EC Directive on Energy end-use Efficiency and Energy Services • Directive 2007/2/EC on an Infrastructure for Spatial Information in the European Community • Directive 2009/28/EC Directive on the promotion of Energy from Renewable Sources • Directive 2009/33/EC Directive on the promotion of Clean and Energy-Efficient Transport Vehicles • Directive 2010/31/EU Directive on the Energy Performance of Buildings (recast ) DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 6

HISTORY Belgium, Denmark, France, Germany, Italy, Netherlands, UK, JRC

1985

PASSYS I

1990

PASSYS II

1992 COMPASS

Greece, Portugal, Spain

PASLINK

1994

Finland

1996

PV-HYBRID-PAS

2000

IQ-TEST

2002

DAME-BC

2005

DYNASTEE

Switzerland,... New member states New sites in Spain, France, ...

Network 2010 DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 7

JRC Test site Ispra

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 8

The PASSYS test cell as delivered in 1986…1987

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 9

Thermal characteristics of building components steady state equation UA *(θi − θo) − gA * I − Q = 0 physical parameters: • UA the heat loss coefficient • gA the solar aperture of the system input signals: • qi indoor • qo outdoor temperatures • I solar radiation • Q auxiliary heat building component

selective curtain

convection

external shading screen

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 10

fan

auxiliary heater

BUILDING COMPONENTS Envelop (heat and radiation transfer; U and g) • Weather resistance, Safety • Transfer of Heat • Simple – Walls, windows, doors

• Complex – Double skin – Ventilated walls – Integration of solar technologies (PV) DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 11

A PV Hybrid Building Component Tdiff=Tair, out-Tair,in

flow Ihor Ivert Idiffuse Humidity Tmodule

Twood

Vwind Wind direction Tamb

El.power

Complexity - air flow (thermal) - non-linearity (PV)

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 12

RESIDENTIAL BUILDINGS Building Envelop • Weather influence (Climate) • Energy Performance Assessment of Buildings (certification) Energy Systems • Heating • Cooling • Ventilation • Domestic Water Heating • Light and Lighting DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 13

SIMPLIFICATION Envelope Thermal processes • Losses – Heat – Ventilation

• Gains – Solar – Occupants – Others DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 14

SIMPLIFICATION (2)

UA *(θi − θo) − gA * I − Q = 0 Qsol

Tin

Tamb

Qenv

Corner effect Infiltration Thermal bridge DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 15

Static - Dynamic Analysis • Static (Laboratory conditions)

TEST SPECIMEN

– Hot Box, Guarded Hot Plate – Restrictions to collected data – Steady State Energy Balance COLD and HOT PLATES HEAT FLUX METER

• Dynamic (Outdoor conditions) – – – – –

Takes into account the aspect of Time Variable boundary conditions In-situ measurements Climate, Thermal Mass, Humidity Reduced Test duration DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 16

CEN Standardisation CEN TC89-WG8 (Thermal Performance of Buildings and Building Components) • EN 12494, ISO 9869, In-situ measurement of the thermal resistance and thermal transmittance • Steady State analysis • Dynamic characteristics – 4 performance tests for dynamic methods

• CEN TC89 WG13 on Dynamic methods for in-situ measurements DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 17

WHAT IS DYNAMIC Dynamic processes involve the aspect of TIME To analyse dynamic processes, dynamic mathematical techniques are required to extract dynamic information from experimental observations Appropriate testing should provide the requested information DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 18

DYNAMIC PROCESSES • • • •

Dynamic takes into account TIME Energy flows in Buildings Dynamic behaviour due to thermal mass Heat capacity defined as: – the heat needed to increase a heat flow's temperature, provided it is uniform, by 1K

• Time constant

τ RC

– Dynamic behaviour from 3 time constants < 24 hours, < month, around a year

• Building Physics using Mathematical solutions DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 19

System Identification What is System Identification in the context of Energy Performance Assessment in Buildings? To assess Thermal Parameters It is the application of a Mathematical Model Physical Measured System Data of a Physical System User using Measured Data Math. Model

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 20

What is System Identification • Physical system with unknown parameters • Mathematical process – set of differential equations – statistical rules • Mathematical model • Solving Mathematical parameters • Time series of observations

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 21

Dynamic Analysis Methods and Modelling Disturbance N(t)

Input u(t)

System

Output Q(t)

PEM Prediction Error Model

Q(t ) = G( q )u(t ) + H ( q )e(t ) OEM Output Error Model when H(q) = 1

Q(t ) = G(q)u (t ) + e(t ) DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 22

DYNAMIC ANALYSIS
Different models
Cross validation on parts of dataset 3 R and 2 C model

2 R and 1 C model

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 23

PROCESS Six essential steps: 1. design the experiment considering analysis process. Excite the physical system. 2. perform the experiment. Collect data with regular interval. 3. pre-processing. Time and Spatial filtering of data. 4. analysis by estimation. Apply a model and method. 5. post-processing of the results and re-run. Conversion of mathematical parameters into physical ones. 6. feedback of final results to stage 1 and 4 of the process. DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 24

POST - PROCESSING 1. Fit to the data. Residuals are 'small' and 'white noise' 2. Reliability. Same results with different data 3. Internal validity. Cross-validation; the model agrees with other data than those used for estimation 4. External validity. Results are in general not in conflict with previous experience 5. Dynamic stability. From a steady state, the response from a temporary change in an input variable fades out 6. Identifiability. Model's parameters are uniquely determined by the data 7. Simplicity. The number of parameters is small Conversion from mathematical parameters into physical ones. DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 25

Accuracy The resulting accuracy of the estimate depends on three types of errors: – Experimental boundary conditions. • Choice and position of sensors, homogeneity • Reduction of input signals – Measurement error. • Sensors and instruments • Calibration of sensors • Spikes and missing observations – Error introduced by the analysis method. • Mathematical to Physical parameters • correlation between input signals DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 26

Lessons from EU projects TRAINING and QUALITY PROCEDURES The level of skill on applying data analysis methods and techniques has been improved over the years. It has been achieved by the development of quality procedures regarding: experimental testing of building components, data collection and processing, data modeling and analysis, validation of results, error analysis.

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 27

1994 – 2010 (EXPERTISE) SIC 1 in 1994 (by JRC and JCEM) SIC 2 in 1996 (by JRC and PASLINK) PASLINK - IQ-TEST / DAME-BC Series of Training workshops and Athens Conference 2005 2007 DYNASTEE network: Dynamic analysis techniques for Energy Performance Assessment of Buildings. DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 28

PASLINK EEIG – IQ-TEST Outdoor Testing

Data Analysis

Quality control

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 29

Modelling

IQ - TEST EU Research project (nine active test sites) on: Improved Quality for Outdoor Testing • • • • • •

Performance requirements for experimental set-up Traceability; from sensor to reported result Quality in documentation Round Robin test; common wall for testing External cross validation; quality data analysis Test site inspection DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 30

EXPERIMENTAL SET-UP

A

Q

Service Room

A

B

Q

Service Room

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 31

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 32

TRACEABILITY of Data • Documentation of – Experimental set-up description – Raw data and DAS treatment – Elaboration process of measured data, – Input data for analysis – Final results - physical parameters and error • Reporting procedure including links to reference documents

REPORT TEMPLATE Need for harmonised reporting format should include: On top of test site hardware and logbook • experiment documentation • calibration information – test cell – sensors • position of sensors (photos) • description of data elaboration

PASLINK Round Robin Results 0.8 0.7 0.6

g-value [-]

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 BBRI

BRE

BTU

CIEMAT

CRES

EMPA

FGUP

JRC

TNO

P.H. BAKER. EVALUATION OF ROUND ROBIN TESTING USING THE PASLINK TEST FACILITIES. IN BUILDING & ENVIRONMENT. ELSEVIER 2008 DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 35

VTT

SOFTWARE Dynamic methods for analysis • CTSM – Developed by DTU – IMM – www.dtu.imm/ctsm

• MATLAB – SIT – Toolbox for general application

• LORD – Developed by the former PASLINK network – Available from www.dynastee.info

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 36

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LORD Tools developed by PASLINK eeig • for modelling and calculation of thermal systems – wall, window complex systems and dwellings • lumped parameter model (RC-networks) • Simulation Error Method (OEM) • minimisation by iteration; Levenberg Marquardt, Downhill Simplex, Monte Carlo

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 38

LORD Iteration

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 39

Modelling - Office Building

modelled in 3 climates Milan, Athens, Barcelona

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 40

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 41

PRESENT 2010 • Recast of the EPBD 2010/31/EU • Evolution of ICT, software and computing power • Increased interest in Dynamic Methods

“One needs a certain level of skill to perform well” • Workshops, Training, Summer school • Grouping of expertise; INIVE - DYNASTEE

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 42

SYSTEM IDENTIFICATION COMPETITION III WHEN • Announcement published in July 2007;

www.dynastee.info • Initial results to be submitted by 15 Dec 2010; • Second announcement at PALENC, 28- 30 September 2010, Rhodes DYNASTEE network • Dynamic analysis techniques for Energy Performance Assessment of Buildings. DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 43

Case studies 2008 SIC III contains elements for: • Web based competition (continuous) • Cases for self training (learning) • Cases for competition (ranking system) • Cases for building component studies • Cases for building performance studies • Specific component studies (like BIPV!!!) • Forum feedback (exchange of expertise) • SIC III book of results (2010) DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 44

Building & Environment Special issue (11 papers) published by Building & Environment (Elsevier 2008) • Strachan P A and Vandaele L, Case studies of outdoor testing and analysis of building components • Baker P H and van Dijk H A L, PASLINK and dynamic outdoor testing of building components • Jiménez M J and Madsen H, Models for describing the thermal characteristics of building components • Gutschker O, Parameter identification with the software package LORD • Jiménez M J, Madsen H and Andersen K K, Identification of the main thermal characteristics of building components using MATLAB • Baker P H, Evaluation of round-robin testing using the PASLINK test facilities • Androutsopoulos A, Bloem J J, van Dijk H A L and Baker P H, Comparison of user performance when applying system identification for assessment of the energy performance of building components • Simmler H and Binder B, Experimental and numerical determination of the total solar energy transmittance of glazing with venetian blind shading • Bloem J J, Evaluation of a PV-integrated building application in a well-controlled outdoor test environment • Leal V and Maldonado E, The role of the PASLINK test cell in the modelling and integrated simulation of an innovative window. • Strachan P A, Simulation support for performance assessment of building components DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 45

WORKSHOP DYNASTEE workshop on Dynamic Methods for Building Energy Assessment 11 - 12 October, 2010 - Centre Borchette Brussels

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 46

EPBD 2010/31/EU The methodology for calculating the energy performance of buildings should take into account European standards and shall be consistent with relevant Union legislation, including Directive 2009/28/EC. The methodology shall be laid down taking into consideration at least the following aspects: • (a) the following actual thermal characteristics of the building including its internal partitions: • (i) thermal capacity; • (ii) insulation; • (iii) passive heating; • (iv) cooling elements; and • (v) thermal bridges; DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 47

RELATION TO EPB DIRECTIVE • Calculation methods (like EN13790) • Simplified but validated calculation rules • From Building Construction products to Building Installation systems Building Integrated Performance Assessment • Dynamic characteristics (3 time constants) – – – –

Ventilation, Light, Solar radiation Thermal mass - heat capacity Climate, Season, Latitude Complex energy consuming installations, control systems

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 48

FUTURE 2020 • Network of Excellence • How to maintain – The aging test infrastructure? – The competence of staff? – Changing needs and priorities?

• Quality assurance to be guaranteed – by exchange of knowledge – by applying common procedures – by inspection and training DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 49

New challenges, New demands • Whole building evaluation – Recast EPBD and ESD: • Energy certification • Near-zero energy buildings

• Distributed energy systems – – – –

Balancing Supply - Demand Heat and Electricity management; storage Smart  Intelligent metering Intelligent buildings DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 50 50

INNOVATIVE APPLICATIONS • Buildings; Improving Energy Efficiency – – – – –

Energy labelling by Intelligent Metering Optimal integration of solar thermal for DHW Insulation; In-situ measurements (CEN) Solar Control Cool Roofs

• Integration of Renewable Energies – Improved control of energy supply – Wind and Solar Power Prediction

• Medicines – Improving efficiency (Insulin dosing) – Pharmaceutical Kinetic and Dynamic Modelling DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 51

ENERGY LABELING •

Today building experts make judgments of the energy performance of buildings based on drawings and prior knowledge.

•

This leads to 'Energy labeling' of the building

•

However, it is noticed that two independent experts can predict very different consumptions for the same house.

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 52

INTELLIGENT METERING • Reliable Energy Signature. • Proposals for Energy Saving: – Renovation of buildings • Replace the windows? • Put more insulation on the roof? • Is the house too untight?

• ......

• Will be implemented in 'My House' • Optimized Control • Optimized use of Solar and Wind Power DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 53

www.dynastee.info DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 54

International Network for Information on DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 55 Ventilation and Energy Performance

BOOK • INIVE • IEA ECBCS • DYNASTEE

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 56

The objectives of an IEA annex First description : Collaboration in ECBCS context should focus on the development of appropriate boundary conditions for : • more reliable on-site testing activities, • including experimental set-up, • data analysis and • performance prediction.

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 57

Indication of possible deliverables The deliverables might include (just a brainstorming list!!!): – Guidelines for test facilities, testing, data analysis and performance prediction – Sets of high quality data sets – An operational (but probably virtual) network, centre of excellence, ... which can provide assistance to teams active in the area of in-situ testing – A set of tools for assessing the quality of the work (comparable with BESTEST framework developed for validation of simulation tools); – Overview of high quality test environments – (to be completed) DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 58

BESTEST The IEA, working with the U.S. National Renewable Energy Lab, has created a benchmark for building energy simulation programs. This benchmark is entitled "BESTEST – International Energy Agency Building Energy Simulation Test and Diagnostic Method".

DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 59

Possible path for project development  An international (probably 1.5 days) workshop on this topic, to be held in Brussels between March and June 2011.  In conjunction with this workshop, a brainstorming session about the possible scope of such annex.  If sufficient interest, a full proposal for ECBCS annex on this topic for discussion at the June 2011 ExCo meeting DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 60

www.dynastee.info

ALL TOGETHER FOR A SUSTAINED SOCIETY

[email protected] DYNASTEE @ BILBAO 22 November 2010 61

Eficiencia Energética y Caracterización Térmica de Elementos Constructivos. Células Paslink

FACHADAS VENTILADAS

Dr. Rufino Hernández Arquitecto UPV/EHU

VITORIA-GASTEIZ 2010 LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION DEL GOBIERNO VASCO

EUSKO JAURLARITZAREN ETXEGITZAREN KALITATEA KONTROLATZEKO LABORATEGIA

UTILIZACIÓN DE LA CÉLULA PASLINK DEL LABORATORIO DEL GOBIERNO VASCO Vitoria, noviembre 2010

alonso hernández asociados arquitectos Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibersitatea

índice

Introducción Fachada opaca ventilada Cubierta opaca ventilada Prototipo de fachada ventilada activa Conclusiones

introducción

Dentro de la línea de investigación en arquitectura bioclimática, ah asociados arquitectos ha desarrollado, en colaboración con la UPV/EHU, varios proyectos de innovación sobre revestimientos activos que incorporan tanto las energías renovables como las TIC, con el fin de mejorar la eficiencia energética global de los edificios. Las envolventes activas que aquí se presentan consisten en diferentes soluciones desarrolladas en otros tantos edificios considerando la iluminación natural, el sombreamiento y la ventilación natural, teniendo en cuenta la industrialización de elementos de construcción y herramientas domóticas para controlar el funcionamiento de los sistemas. Los revestimientos activos desarrollados son: Fachada opaca ventilada Cubierta opaca ventilada Prototipo de fachada ventilada activa.

Fachada opaca ventilada Viviendas protegidas en la Ecociudad de Sarriguren Se trata de la promoción de 78 + 12 viviendas de protección oficial situadas en la Eco-ciudad de Sarriguren (Navarra). Como la orientación del edificio (Norte-Sur) es ideal para el aprovechamiento de la radiación solar, se ha desarrollado la fachada como un sistema activo de alta eficacia aprovechando dicha radiación

Fachada opaca ventilada Proceso y desarrollo

El sistema plantea el uso del aire calentado por la radiación solar incidente, en una cámara de la fachada, para proporcionar energía calorífica a los espacios interiores de las viviendas que son los más utilizados durante el día. Esta cámara se divide en varias particiones donde se controla la admisión de aire, por lo que su uso efectivo sólo se logra cuando es necesario. Durante los días calurosos la cámara de ventilación permanece abierta hacia el exterior, con el fin de evitar la acumulación de aire caliente.

Vivienda monitorizada

5

1

6

7

2

8

3

4 Distribución de las ocho viviendas que componen la fachada sur

Fachada opaca ventilada Proceso y desarrollo

La hoja exterior de la fachada está formada por un revestimiento de chapa ondulada de acero lacado, cuya superficie exterior está expuesta a la radiación solar directa y la interior está en contacto con la cámara de aire. Las propiedades térmicas de la hoja (alta absorción, baja inercia térmica, alta conductividad térmica) y su acabado de color oscuro, que aumenta el coeficiente de absorción, hacen que el calor absorbido sea transmitido de manera eficaz de la hoja exterior al aire de la cámara.

Chapa Ondulada exterior Fabricante: Aceralia Modelo: PL 18/76 Prelacada e= 0,0006 m Peso = 5,634 Kg/m2

Cámara de aire e = 0,08 m

Poliestireno extrudido de alta densidad (XPS) e = 0,05 m ρ = 33 kg/m3

Tendido de Ladrillo yeso hueco doble proyectado en ½ asta e = 0,12 m e = 0,015 m ρ = 1600 kg/m3 ρ = 800 kg/m3

INTERIOR EXTERIOR

e = 0,2656 m

Fachada opaca ventilada Proceso y desarrollo Lama obturable Aporte de calor por radiación solar

Expulsión de aire del interior de la fachada en el modo ventilación.

Abertura para ventilación

Abertura para ventilación

Aireador Isofónico

Chapa metálica ondulada

Aire calentado en la fachada que se incorpora al interior del edificio en el modo de aprovechamiento de ganancias solares

Ubicación de las aberturas para el ingreso de aire a la cámara en el interior de la fachada

Aireador de ventilación

Aireador de ventilación

Conducto de ventilación

Conducto de ventilación

Poliestireno extruido de alta densidad Circulación por cámara Junta abierta para la entrada de aire

Ubicación de los aireadores y conductos para ventilación de las cámaras

Fachada opaca ventilada Proceso y desarrollo

Una vez que la energía calorífica se ha absorbido, se transmite por conducción a través de la hoja a la cara interna que está en contacto con el aire de la cámara. Esta energía de la hoja se transmite por convección hacia el aire de la cámara, lo que produce un aumento de su temperatura. Cuando se alcanza la temperatura de referencia del aire de la cámara, este se introduce al interior de la vivienda como aire de renovación.

Fachada opaca ventilada Proceso y desarrollo

El suministro de aire proveniente de la cámara de la fachada al interior de la vivienda se hace a través de aireadores con lamas regulables que pueden abrir o cerrar el paso del flujo de aire. Los aireadores están situados en las ventanas de los salones de cada vivienda. Para controlar este sistema, se han instalado varios sensores de temperatura tanto del aire exterior como del interior. Estos sensores definen la apertura / cierre de los aireadores.

Rejilla superior de ventilación de la cámara

Fachada opaca ventilada Resultados

En los periodos de otoño y primavera es cuando el sistema desarrollado se ha demostrado más efectivo, porque la demanda de calefacción no es demasiado alta. En estas situaciones la calefacción convencional puede ser sustituida completamente por el sistema alternativo, como los resultados de la monitorización han confirmado. Los valores de la demanda de calefacción del edificio para los meses invernales en la zona climática de Pamplona son los recogidos en la tabla adjunta. El total de 48.552 kWh referido a la superficie del edificio produce un valor por unidad de superficie de: 44,95 kWh/m2

kWh

Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Oct.

Nov.

Dic.

12.143

8.241

5.539

2.986

908

403

5.882

12.185

Demanda total del edificio de VPO de alquiler en Sarriguren

Fachada opaca ventilada Resultados La Tabla es el cuadro resumen de la cuantificación en porcentaje de la reducción de demanda por la incorporación de una fachada ventilada activa como la aquí estudiada

FACHADA MONITORIZADA DEMANDA

ENERGIA [kW-h]

POR UNIDAD DE SUPERFICIE [kW-h/m2]

319,26

3,74

RAZON FACHADA / DEM.

0,08 48.552,00

44,45

PORCENTAJE

8,41 %

Porcentaje de reducción de la demanda por la Fachada Ventilada Activa del edificio de 12 viviendas en Sarriguren

En resumen, las principales ventajas del sistema propuesto son: • Mejora del comportamiento energético de la vivienda, que repercute en un ahorro económico. • Disminución de los impactos ambientales producidos tanto por el consumo directo de energía como por el uso ineficiente de la energía. • Mejora de las condiciones del aire de renovación de la vivienda, sin un incremento en la demanda de energía, conservando la temperatura en los rangos de confort. • Control energético personalizado en cada vivienda, considerando diferentes aspectos: tiempo de operación, niveles de temperatura, ciclos de encendido/apagado de la caldera, exposición a la radiación solar, temperatura óptima del aire en la cámara para una satisfactoria calefacción de la vivienda, flujo de aire, entre otros.

Cubierta opaca ventilada Contexto: Oficina de arquitectura en Cizur Menor

Se trata de la recuperación de una antigua serrería y su rehabilitación en un edificio de oficinas para la sede de Alonso, Hernández & asociados arquitectos, ubicado en Cizur Menor (Navarra). El bloque consiste en un edificio de dos plantas.

Cubierta opaca ventilada Resultados

Ganancia total de calor del aire de cubierta impulsado al interior edificio en 2007: Las ganancias contabilizadas en cubierta para el flujo de aire que ha sido impulsado por las ventiladores en los meses de mayo, octubre y noviembre 2007 fue: 5.833,33 kW – h

Total

Comparación con el consumo del año 2007 Según la facturación del gasóleo empleado para la calefacción por suelo radiante, en 2006 se consumieron 6.131 litros, mientras que en 2007 esta cantidad se redujo a 5.220 litros. En la tabla adjunta se determina el equivalente energético de dicho volumen de combustible y su relación respecto a la ganancia calculada para el aire precalentado en cubierta. Para el gasóleo se ha usado una densidad de 850 kg/m3 y un poder calorífico inferior PCI = 42.700 kJ/kg. Litros

m3

Kg

kJ

kW-h

5.220

5,22

4.437

189.459.900

52.627,75

Ganancia de calor por cubierta

5.833,33

Ganancia por cubierta / ( Consumo + Ganancia )

10%

Equivalente energético del volumen de gasóleo consumido y comparación con la ganancia del aire proveniente de cubierta

Prototipo fachada ventilada activa Contexto: prototipo en Vitoria-Gasteiz Con el fin de cuantificar las ganancias de energía debidas al uso fachadas ventiladas activas en la región del norte de España se ha construido un prototipo que se ha probado en una cámara de ensayo Paslink, situada en el Laboratorio de Control de Calidad de la Edificación del País Vasco, en Vitoria-Gasteiz. La prueba se realizó durante tres semanas en el mes de septiembre y el comportamiento de la fachada se evaluó mediante la medición de ambas condiciones externas y las propiedades del aire en el interior de la fachada.

Prototipo fachada ventilada activa Proceso y desarrollo El módulo se acopla a la cámara de ensayos sujetándolo al bastidor de la cámara y colocando el sistema de ventilación en la parte superior. Los laterales se han sellado para garantizar la estanquidad. El aire entra por la parte inferior del prototipo; su flujo es controlado por un ventilador ubicado en la parte superior de la célula.

Prototipo fachada ventilada activa Proceso y desarrollo La fachada presenta tres modos de funcionamiento: Acumulación - Cuando el sol incide en la hoja metálica, orientada hacia el sur, su temperatura aumenta y transfiere el calor al aire de la cámara por convección y radiación. El aire en la cámara se calienta y se acumula en la parte superior del módulo de fachada. Ganancia – Una vez el aire tiene una temperatura adecuada (superior a la temperatura del interior) se impulsa hacia el interior, reduciendo así la demanda de calefacción y aportando aire de renovación. Verano – Cuando no se desea una ganancia térmica la fachada permanece abierta permitiendo el flujo libre del aire, evitando sobrecalentamientos al evacuar el calor absorbido por la chapa mediante el aire calentado.

Acumulación

Ganancia

Verano

Prototipo fachada ventilada activa Resultados El prototipo ha sido ensayado durante el mes de septiembre de 2009. Los resultados mostrados corresponden al día 10. Para monitorizar las variables del ensayo se han utilizado los sensores de temperatura que se indican a continuación:

ESTE

Tse

TA T6

TII

Tsi

T5

T4

TB T3

T2

T1

TC

TI OESTE

TIII

Prototipo fachada ventilada activa Resultados Perfil de temperatura en la superficie exterior [Tse] La temperatura es máxima en la superficie exterior de la chapa metálica 2,5 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h 24h

2,3

2,0

1,8

h [m]

1,5

1,3

1,0

0,8

0,5

0,3

0,0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 T [ºC]

Prototipo fachada ventilada activa Resultados Temperatura en la superficie exterior [Tse] En los extremos superior e inferior de la chapa se obtienen las máximas temperaturas 50 48 46 44 42

T2 T3 T4 T5 T6 T1

40 38 36 34 T (ºC)

32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 0

200

400

600

800 t (min)

1000

1200

1400

Prototipo fachada ventilada activa Resultados Temperaturas este-oeste

46

El lado este de la chapa es el que más se calienta pues es el más expuesto al sol de la tarde

44 42 40 38 36

TA TB TC

34 32 T (ºC)

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 0

200

400

600

800 t (min)

1000

1200

1400

Prototipo fachada ventilada activa Resultados

T (ºC)

Sección - temperaturas

64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10

La chapa metálica se encuentra 20ºC más caliente que el aire en la cámara cuando la radiación solar es máxima

TI T II T III Tse Tsi

0

200

400

600

800 t (min)

1000

1200

1400

Conclusiones Conclusiones

Los cerramientos activos no dependen de complejos sistemas de instalaciones y permiten mejorar la eficiencia energética de los edificios en un 10% con respecto a edificios con envolventes pasivas. Aprovechan los flujos controlados de aire captados por el cerramiento para el acondicionamiento climático directo del edificio. El precalentamiento del aire de renovación en las envolventes activas permite aumentar aún más la eficiencia energética del edificio. Las envolventes activas requieren una pequeña inversión sobre las soluciones convencionales, siendo virtualmente nula comparada con las fachadas ventiladas. La determinación de las posibilidades de aprovechamiento térmico de los sistemas desarrollados requiere un conocimiento preciso de su comportamiento para el que la célula Paslink resulta una herramienta fundamental por la precisión de los resultados, la rapidez en la obtención de datos utilizables, el desacoplamiento climático y la posibilidad de homologación de los datos.

Gracias por su atención Preguntas / Comentarios / Críticas

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA CÉLULA PASLINK

MIRADOR ACUMULADOR

Ana Sánchez-Ostiz Gutiérrez. Profesora titular de Construcciones Arquitectónicas ETSAUN

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Objetivo

Promover un desarrollo tecnológico innovador que permita la construcción de viviendas bioclimáticas de bajo coste a través de la industrialización de sus componentes.

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO UN lidera el diseño y construcción de un mirador acumulador prefabricado

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Exigencias de la edificación: CTE

Caracterización: U, g

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Comportamiento del funcionamiento real: verano e invierno Verano - Escenario 1. Hoja exterior y aireador exterior abiertos, hoja interior y aireador interior cerrados, estor levantado. - Escenario 2. Hoja exterior y aireador exterior abiertos, hoja interior y aireador interior cerrados, estor bajado. - Escenario 3. Hojas y aireadores cerrados, estor bajado. - Escenario 4. Ensayos sin metodología Paslink. Noche: Todo abierto para ventilar. Día: hoja exterior y aireador exterior abiertos, hoja interior y aireador interior cerrados, estor bajado.

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Comportamiento del funcionamiento real: verano e invierno Invierno - Escenario 5. Hojas y aireadores cerrados, estor levantado. - Escenario 6. Hoja exterior y aireador exterior cerrado, hoja interior y aireador abiertos (lazo convectivo), estor levantado. - Escenario 7. Hojas y aireadores cerrados, estor bajado.

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Resultados. Radiación y temperaturas.

Escenario 1

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Resultados. Radiación y temperaturas.

Escenario 2

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO

Simulación. Radiación y temperaturas.

Escenario 2

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DE INVERNADERO Conclusiones

1. Los ensayos en Célula Paslink nos permite caracterizar un prototipo de componente industrializado, de comportamiento complejo, para su posible patente y comercialización 2. Nos permite comprobar el comportamiento real del componente y compararlo con la simulación realizada con programas informáticos 3. Los resultados obtenidos nos permiten introducir mejoras en el prototipo para optimizar su comportamiento

Eficiencia Energética y Caracterización Térmica de Elementos Constructivos. Células Paslink

OTRO TIPO DE MUESTRAS

Prf. Ing. Ind. César Escudero Revilla Dpto. Máquinas y Motores Térmicos UPV/EHU

Técnico Área Térmica LCCE VITORIA-GASTEIZ 2010 LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION DEL GOBIERNO VASCO

EUSKO JAURLARITZAREN ETXEGITZAREN KALITATEA KONTROLATZEKO LABORATEGIA

JORNADA TECNICA : Eficiencia Energética y Caracterización Térmica de Elementos Constructivos. Células Paslink Otro tipo de muestras Prf. Ing. Ind. César Escudero Revilla

ÁREA TÉRMICA LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD EN LA EDIFICACION Etxegintzaren Kalitatea Kontrolatzeko Laborategia Aguirrelanda, 10 01013 Vitoria-Gasteiz (Alava) Tfno : 945 268933 Fax : 945 289921 E-mail: [email protected]

LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION DEL GOBIERNO VASCO

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(16$:P.@

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2-may

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18

6

12

18

6

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18

6

12

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6

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18

18

12

6

18

12

6

18

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6

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12

6

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6

12 8-abr

6

0,0

0,0

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U [W/m K]

18

6

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18

6

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02'(/2 0$7(0$7,&2 LABORATORIO DE CONTROL DE CALIDAD DE LA EDIFICACION DEL GOBIERNO VASCO

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