Exercicis d'eficiència energètica i arquitectura bioclimàtica — Tecnologia i Digitalització 4t ESO

(a) Passiva, hivern: el sol baix entra a casa i escalfa.
(b) Passiva, estiu: el sol alt queda tapat pel voladís, i a l'hivern el deixa entrar.
(c) Passiva, totes dues estacions: a l'estiu fan ombra i a l'hivern, sense fulles, deixen passar el sol.
(d) No és passiva: és un sistema actiu que consumeix energia, tot i que sigui eficient.
(e) Passiva, estiu: la ventilació creuada, sobretot de nit, refreda l'edifici.
(f) Passiva, estiu: la coberta clara reflecteix part de la radiació solar.
Error típic: confondre «eficient» amb «bioclimàtic».

Més finestres al sud: a l'hivern el sol és baix i entra molt a fons a l'habitació, i a l'estiu, com que és molt alt, és fàcil protegir-les amb un voladís.
Menys finestres al nord: gairebé no hi toca el sol directe i és per on es perd més calor a l'hivern.
Les façanes est i oest reben el sol baix al matí i a la tarda, difícil de protegir; convé que tinguin poques obertures o persianes exteriors.
Error típic: posar grans finestres a l'oest «per la vista» i oblidar el sobreescalfament de l'estiu.

(a) amb 4; (b) amb 1; (c) amb 2; (d) amb 3.
El perquè: l'aïllament frena el pas de calor; la inèrcia tèrmica emmagatzema calor i la retorna lentament; el voladís controla el sol segons l'estació; la ventilació renova l'aire sense energia.

Un sistema passiu aprofita el clima amb el disseny, sense màquines ni energia addicional. Un d'actiu necessita aparells que transformen o consumeixen energia.
(a) passiu; (b) actiu; (c) passiu; (d) actiu.
El perquè: primer es redueix la demanda amb solucions passives i després es cobreix la resta amb sistemes actius eficients.

En un clima càlid, de color clar: reflecteix gran part de la radiació solar i la superfície s'escalfa menys.
En un clima fred i assolellat, un color fosc pot ajudar, perquè absorbeix més radiació i n'aprofita l'energia (sempre combinat amb un bon aïllament).
El perquè: els colors clars tenen un albedo alt (reflecteixen molt) i els foscos l'albedo baix (absorbeixen molt).

Si hi ha obertures a dos costats oposats de la casa, el vent entra per un costat, creua l'habitatge i surt per l'altre; així l'aire es renova ràpidament i s'emporta la calor.
Amb finestres a un sol costat, l'aire no té camí de sortida i es renova molt a poc a poc, només per barreja a la finestra.
Truc: obrir les finestres de nit si l'aire exterior és més fresc que l'interior refreda l'habitatge sense consum.

El vidre deixa passar la radiació solar, que s'absorbeix a terra i parets; aquests objectes tornen l'energia en forma de calor (infraroig), que el vidre atura en bona part. És l'efecte hivernacle.
A l'estiu cal fer ombra (tendals, voladissos o persianes exteriors) i ventilar-la, obrint finestres altes i baixes.

A l'estiu tenen fulles i fan ombra, i la transpiració de l'arbre refresca l'entorn.
A l'hivern perden les fulles i deixen passar el sol, que escalfa l'habitatge.
Un perennifoli faria ombra tot l'any, i a l'hivern això faria perdre un escalfament gratuït.

9.600 / 120 = 80 kWh/($\text{m}^{2}$·any).
Després: 40 · 120 = 4800 kWh. Estalvi = $\tfrac{(9\text{.}600 - 4\text{.}800)}{9}$.600 = 50 %.
El perquè: dividir pel metre quadrat permet comparar edificis de mides diferents.

Aïllants: llana de roca, poliestirè expandit i suro (contenen molt d'aire i condueixen poc la calor).
Massa tèrmica: formigó, maó massís i aigua (pesats i amb molta capacitat d'emmagatzemar calor).
Error típic: pensar que un material pesat aïlla bé; la massa acumula calor, no la frena.

Cada capa té R = e / λ: guix 0,026; maó 0,280; aïllant 1,714; maó buit 0,156 m²·K/W.
R_total = 0,13 + 2,176 + 0,04 = 2,346 m²·K/W.
U = 1 / R = 0,426 W/(m²·K).
P = U · A · ΔT = 0,426 · 12 · 20 = 102 W.
Observa que l'aïllant, de només 6 cm, aporta més de la meitat de la resistència de la paret.

R actual = 1 / 1,2 = 0,833; R objectiu = 1 / 0,35 = 2,857 m²·K/W.
R que cal afegir = 2,024. Gruix = R · λ = 2,024 · 0,035 = 0,071 m, uns 7,1 cm.
Triaria 8 cm (el valor comercial immediatament superior), que dona una mica de marge.
Error típic: sumar valors de U; el que es suma són les resistències.

P = 0,34 · 0,6 · 300 · 15 = 918 W.
Amb recuperador, només es perd el 20 %: 184 W.
Estalvi de potència = 734 W; en 4.000 h: 734 W · 4.000 h = 2938 kWh.
El perquè: en cases molt aïllades, la ventilació és una part gran de la pèrdua; el recuperador permet ventilar sense perdre la calor.

Estiu: α = 90 − 41,5 + 23,44 = 71,94°. Hivern: α = 90 − 41,5 − 23,44 = 25,06°.
Ombra a l'estiu: 0,6 · tan(71,94°) = 1,84 m, més que els 1,5 m de finestra: queda tota a l'ombra.
Ombra a l'hivern: 0,6 · tan(25,06°) = 0,28 m: només el 19 % superior de la finestra; el sol hi entra.
Funciona bé: el voladís bloqueja el sol d'estiu, que és alt, i deixa entrar el d'hivern, que és baix.

Potència captada = 4 · 600 · 0,6 = 1440 W. Energia = 1440 W · 5 h = 7,2 kWh.
Pèrdua = U · A · ΔT = 1,6 · 4 · 10 = 64 W.
Mentre hi ha sol, la finestra guanya 22 vegades més energia de la que perd: és un petit escalfador gratuït.
De nit, en canvi, només perd calor; per això convé tenir persianes o cortines gruixudes.

Q = m · c · ΔT = 2.000 · 880 · 5 = 8 800 000 J = 8,8 MJ.
En kWh: $\tfrac{8{,}8}{3{,}6} = 2{,}44$ kWh.
Aigua: m = $\tfrac{Q}{(c \cdot \Delta T)} = 8$ 800 $\tfrac{000}{(4\text{.}180 \cdot 5)} = 421$ kg.
Per això l'aigua és tan bon acumulador: la mateixa energia en una cinquena part de la massa.

Cub: S = 6 · $10^{2}$ = 600 $\text{m}^{2}$; $\tfrac{S}{V} = 0{,}60$ m⁻¹.
Prisma: S = 2 · (5 · 10 + 5 · 20 + 10 · 20) = 700 $\text{m}^{2}$; V = 1.000 $\text{m}^{3}$; $\tfrac{S}{V} = 0{,}70$ m⁻¹.
El cub és més compacte; l'edifici llarg té un 17 % més de superfície per on perdre calor.
En un clima fred convé una forma compacta; en un clima càlid pot interessar una forma més oberta, per ventilar.

Resistència: 6.000 kWh d'electricitat, 6.000 · 0,25 = 1500 kg de CO₂.
Bomba de calor: 6.000 / 3,5 = 1714 kWh; 1714 · 0,25 = 429 kg de CO₂.
La bomba de calor no crea energia: utilitza electricitat per portar calor de l'exterior (aire, terra) a l'interior, com un frigorífic a l'inrevés. La calor total és l'electricitat més la que s'agafa de l'entorn.

Producció = 3 · 1.400 = 4200 kWh.
Autoconsum = 0,60 · 4200 = 2520 kWh; excedent = 1680 kWh.
Cobertura de la demanda = 2520 / 4.500 = 56 %.
Per aprofitar més energia, convé fer servir els electrodomèstics de potència durant el dia, quan hi ha sol, o afegir una bateria.

Penetració de la llum = 2 · 2,4 = 4,8 m. Els 1,2 m del fons de l'aula necessiten llum artificial.
Estalvi = 4 · 10 W · 5 h · 200 dies = 40 000 Wh = 40 kWh.
Es pot augmentar la penetració amb finestres altes, prestatges de llum o colors clars al sostre.

Amplitud exterior = (36 − 24) / 2 = 6 K; interior = (28,5 − 26,5) / 2 = 1 K.
Factor d'amortiment = 1 / 6 = 0,17. Retard = 22:30 − 15:00 = 7,5 h.
Aprofitament: durant el dia tenir finestres i persianes tancades perquè la massa de les parets no s'escalfi, i de nit, quan l'exterior ja és més fresc que l'interior, ventilar a fons per refredar la massa (ventilació nocturna).
El perquè: la inèrcia tèrmica transforma les puntes de calor en una temperatura moderada i retardada.

Abans: Q = 250 · 24 · 1.500 / 1.000 = 9000 kWh. Després: Q = 150 · 24 · 1.500 / 1.000 = 5400 kWh.
Estalvi = 3600 kWh de calor, un 40 %.
Gas consumit menys: $\tfrac{3600}{0{,}90} = 4000$ kWh; CO₂ evitat = 4000 · 0,2 = 800 kg.
El perquè: la demanda és proporcional a la pèrdua global (UA) de la casa, per això l'aïllament i la reducció de pèrdues són les primeres mesures.

Simple: guany = 4 · 0,85 · 300 = 1020 kWh; pèrdua = 5,7 · 4 · 1.500 · $\tfrac{24}{1}$.000 = 821 kWh; balanç 199 kWh.
Doble: guany 720 kWh; pèrdua 202 kWh; balanç 518 kWh.
Triple: guany 600 kWh; pèrdua 115 kWh; balanç 485 kWh.
Amb aquestes dades el millor és el doble baix emissiu: el triple perd menys, però també deixa entrar menys sol, i a la façana sud això compta més. A les façanes nord, sense sol, guanya el triple.
Error típic: mirar només la U; el factor solar (g) també decideix el balanç.

P = 0,34 · 8 · 300 · 7 = 5712 W.
Temps = 15.000 Wh / 5712 W = 2,6 h.
Si l'exterior fos a 26 °C, ΔT = 1 K i la potència seria 816 W: el temps seria set vegades més gran (18 h), i la ventilació deixaria de ser pràctica.
Per això la ventilació nocturna funciona en climes amb nits fresques.

Fosca: 900 · 0,90 · 80 = 64,8 kW. Blanca: 900 · 0,25 · 80 = 18,0 kW.
Diferència = 46,8 kW, unes 3,6 vegades menys energia absorbida amb la coberta blanca.
Conseqüència: una coberta blanca (o verda) manté l'habitatge més fresc i redueix el consum d'aire condicionat; si es generalitza, també redueix l'«illa de calor» urbana.

Actual = 12.000 / 140 = 85,7 kWh/(m²·any).
Màxim = 15 · 140 = 2100 kWh/any.
Reducció = (12.000 − 2100) / 12.000 = 82,5 %.
Mesures: aïllament molt gruixut i continu (sense ponts tèrmics), finestres de triple vidre amb bona orientació, estanquitat a l'aire amb ventilació mecànica amb recuperació de calor.

Estalvi anual = (1,2 − 0,35) · 60 · 24 · 1.500 / 1.000 = 1836 kWh.
Energia incorporada = 150 · 60 = 9000 kWh.
Retorn = 9000 / 1836 = 4,9 anys.
L'aïllant dura dècades, de manera que durant la major part de la seva vida és un estalvi net. L'anàlisi del cicle de vida serveix per comprovar que una mesura estalvia més energia de la que costa fabricar-la.

Paret corrent: $T_{s}$ = 20 − 1,2 · 0,13 · 20 = 16,9 °C, per sobre dels 12 °C: no hi ha condensació.
Pont tèrmic: $T_{s}$ = 20 − 3,5 · 0,13 · 20 = 10,9 °C, per sota del punt de rosada: l'aigua de l'aire es condensa a la paret i apareix humitat i floridura.
Solució: eliminar els ponts tèrmics amb aïllament continu per fora, i ventilar per reduir la humitat de l'aire.
Error típic: pensar que la humitat ve de fora quan, de fet, ve de la condensació de l'aire interior.

v = √(2 · 9,81 · 6 · 7 / 300) = 1,66 m/s.
Q = 0,6 · 0,5 · 1,66 = 0,50 m³/s = 1790 m³/h.
Renovacions = 1790 / 300 = 6,0 h⁻¹.
Aquest sistema funciona sense ventilador, i funciona millor com més alta és l'obertura i com més gran és la diferència de temperatura.

A: calor = 100 · 100 = 10.000 kWh; gas = 10.000 / 0,9 = 11 111 kWh; CO₂ = 11 111 · 0,2 = 2222 kg.
B: calor = 30 · 100 = 3000 kWh; electricitat = 3000 / 3 = 1000 kWh; CO₂ = 1000 · 0,25 = 250 kg.
Raó = 2222 / 250 = 8,9: la casa A emet gairebé nou vegades més.
La combinació de reduir la demanda (aïllament) i d'utilitzar un sistema eficient és molt més potent que qualsevol de les dues mesures per separat.