confort climatico-stefan kramer
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Corporacin de Desarrollo Tecnolgico
Corporacin de DesarrolloTecnolgico
Dcima tercera conferenciatecnolgica
Stefan Kramer
www.cdt.cl
28 septiembre 2005
Confort climtico
1 de 38 pgs.
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El confort y la construccinde edificios segn criterios
de eficiencia energtica y
reduccin de costos, una
oportunidad para el
mercado chileno
Dipl.-Ing. Stefan Krmer
Dipl.-Ing. Rolf Sielfeld
Contenido de la conferencia
! Clima, Medioambiente y potencial de ahorro energtico
! Planificacin integral
! El edificio, un sistema termodinmico
! La simulacin dinmica
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Integral Ingenieure
Nuestra asesora a mandantes, arquitectos e ingenieros se centra en:
! Salvaguardarcondicionesptimas de confort para todoel ao
!Minimizar la inversiny loscostosoperacionales
! Reducir al mximola demandaenergtica
Empresa dedicada a:
! Planificacinintegral de edificios
! Realizaciny planificacinde seminarios formativos a mandantes, arquitectos,ingenieros, conserjes, etc.
!Asesoraenergticaa comunas, de acuerdoal European Energy Award
A part ir del ao 2006 tam bin en Ch ile
Clima, medioambientey potencial deahorro
energtico en edificios
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Emisiones de CO2 y el protocolo de Kyoto
Fuente: Comisin Enquete, Unin Europea
Pronsticodemanda
energtica
Reduccinestabilizacin
climtica
En el ao 2040 las emisiones de CO2 deben ser reducidas a la mitad
Emisiones de CO2
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
Balance de energa en Alemania
Otro uso
Centros de tr ansformacin
Energaprimaria100%
Energaterminal 72%
Energaaprovechada33%
Prdidas
Fraccin c/r aenerga
aprovechable
Calorhabitaciones
Calor deproceso
Transporte
Otros, luz ymquinaria
Fuente: Comisin Enquete, Unin Europea
Prdidas
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
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Potencial de ahorro de energa primaria en Chile
Consumo energtico primario por sector, ao 2003
Transporte27%
Industriayminera29%
Centrosdetransformacin
23%
Comercial, pblicoy residencial
21%
Fuente: Comisin nacionalde energa
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
50.000
51.000
52.000
53.000
54.000
55.000
56.000
57.000
1999 2000 2001 2002 2003
Teracaloras
Consumo energtico primario sector comercial, pblicoy residencial
Fuente: Comisin nacionalde energa
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
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Marco regulatorio en Chile y en Alemania
EnEV (Energieeinsparverodnung)! Indicadores: Demandade energaprimaria
! Incorpora aspectosde la construccin y de la
tecnologa de climatizacin diseada
! Infiltraciones en el edificio (blower door)
! Se consideran lospuentes trmicos
! Facilidad para la incorporacinde las energas
renovables
! Desarrollo de unprocesode clculo simple
! Energiepass y credencial de demanda
energtica
Certificacin de comportamientotrmico para edif icios
! Va prescripciones
! Valores lmites de cubierta,
muros, ventanas y pisos
! Va prestaciones
!Comparacin demanda edificio
propuesto con edificio referencia
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
Certifi cacin comportamiento trmico de edificios en Chile
Requerimientos
bsicos
Va
prescripciones
Va
prestaciones
Demanda edifici o
propuesto (DEP)
Demanda edifici o
referencia (DER)
Valores lmi tes de
cubierta, muros,
ventanas y pisos
NO
Modificar
diseo
NO
Cumple requisito
bsicos de ahorro
de energa
DEP
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Programas de fomento al ahorro energtico y medioambientales en
Chile
! Programa de Electrificacin Rural (PER)
! Programa Chile Pas de Eficiciencia Energtica
! Fondos Corfo Consultoras especializadas (transferencia tecnolgica)
! Crditos Corfo Inversin Medioambiente del KfW
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
A n ivel federal
!Crditosdel KfWen lossiguientes
programas:
! Contracting de sistemas
! Construir ecolgicamente
!Modernizacinde residencias
! CO2Saneamientode edificios
!Generarelectricidadfotovoltaica
!Vor Ort-Beratung (Asesora in Situ)
En el estado de Nordrhein Westfalen (NRW)
! REN Programm(desarrollo, proy. mostrativos,
contracting)
! Contruccionesnuevasdel futuro La casa pasiva,
Aldeas solares, Construcciones solares
! Programamarcocomunal(European Energy Award)
!Aprovechamientodel calor (Fernwrmenutzung)
! Conceptos de energaporsectoresproductivos
(Branchenenergiekonzepten)
! EnergiePass
!GebudeCheck Energie
Programas de fomento al ahorro energtico y reduccin de emisiones
de gases efecto invernadero en Alemania
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Plan i ficac in integra l El edi f ic io s ist .termodinmico Simulac in d inmica
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Proceso de estandarizacin trmica en Alemania
Fraccin de edificios en [%]
Deman
dadeca
lefacc
in
[kWh/m
2a]
Estado original
Optimizacin econmica en funcin de la aislacin
EnEV desde
2004
Fuente: Wuppertal Institut fr Klima,Umwelt und Energie
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planif icacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
Estndares de edificacin energtica y sus costos
D
emandaanualdecalefaccin[kWh/m2a]
1,5
1,0
0,5Costosasociadosalahorro[/kWh]
Casa debajo
consumo
Casapasiva
Casaautnoma
Fuente: Wuppertal Institut fr Klima,Umwelt und Energie
200
150
100
50
0 0WSchVO
1995WSchVO
1995WSchVO
1995
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Planificacin Integral
Aprender de los errores
0
250
500
750
1000
1250
Clculo demanda(ingeniero)
Clculo compaainformtica
Potencia i nsta lada Demanda real(medida)
Potencia[kW]
Inversin innecesaria: 20 millones de libras britnicas
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0
5000
10000
15000
20000
25000
Inversin Costos
operacionales
Consumo
elctrico
Costo total
/a
Ventilacin convencional Ventilacin optimizada
Costos totales de un sis tema de ventilacin
Una minimizacin de la inversin puede resultar en una economa falsa
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
! Optimizacin del edificio desde la etapa de anteproyecto, a travs del uso de la
simulacin trmica
Objetivos de la planificacin integral
! Inducir una sinergia entre los distintos actores en la planificacin
! Reduccin tiempo planificacin
! Minimizacin riesgo en la planificacin
Planificacin integral Proyectos en A lemania Oportunidades en Chile
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PLANIFICACININTEGRAL
USUARIO
ARQUITECTOMANDANTE
OPERADOR
INGENIERA DECLIMATIZACIN
INGENIERACIVIL
Esquema de trabajo planificacin integral
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
Fases del proyecto y potencial de ahorro
Prediseo
BajoAlto
Potencialdeahorro
Gradodea
vancedelproyecto
Diseo Planos de trabajo Ejecucin de obra
Fases del proyecto
Control de las medidas de
ahorro
Aplicacin estrategias
Consenso ingeniera de detalle
Objetivos
Uso espacio
Clima interior
Concepto energtico
Planificacin uso espacio
Eleccin estrategia de ahorro
energtico
Recapacitar objetivos
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Reduccin de riesgo gracias a una planifi cacin integral
Costos
TiempoFase de diseo yconstruccin
Fase de operacin y uso
Costos acumulados con Planificacin Integral
Costos acumulados sin Planificacin Integral
Inversin en Planificacin Integral
Ahorro gracias a una Planificacin Integral
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edif icio sist .termodinmico Simulacin dinmica
El edificio, un sistema termodinmico
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Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
La casa el edificio
Conduccin
Conveccin
Radiacin onda corta
Radiacin onda larga
Calor latente
y su intercambio de energa
Viento
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Causantes de un confort insuf iciente
Ruido11,2%
Temperatura
39%
Luz
15,8%
Calidad del
aire24,3%
Humo decigarrillos
10,0%
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
El confort y la actividad humanaSensacin trmica [C]
Eficiencia%(concentracin,desempeo)
Nchste Folie
Con
fort
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La sensacin trmica segn norma DIN
Temperatura sensible [C]
Temperatura ambiente [C] zurck
C
onfort
Humedad recomendada
Humedad rel. interior [%]
Temperatura int. [C]
Inconfortable hmedo
Inconfortable seco
Confortable
Semi-confortable
zurck
Con
fort
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Temperaturaambiente
U
U
U
Temperaturapared
Temperatura interna:+20[C]
Temperatura ambiente
Temperatura de pared y del aire
Efecto sobre el confort
C
onfort
zurck
Zona de confort
Velocidaddelaire
Temperatura del aire
Movimiento del aire
zurck
Con
fort
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C
onfort
Cunto aire fresco necesita el ser humano?
Ventilacin m/h por personaMnimo para:
! Remocin de gases txicos,
fumador extremo
! Remocin de gases txicos,
fumador moderado
! Remocin de vapores
! Recambio de CO2
! Abastecimiento de O2
Ventilacin m/h por personaMnimo para:
! Remocin de gases txicos,
fumador extremo
! Remocin de gases txicos,
fumador moderado
! Remocin de vapores
! Recambio de CO2
! Abastecimiento de O2
Ventilacin m/h por personaMnimo para:
! Remocin de gases txicos,
fumador extremo
! Remocin de gases txicos,
fumador moderado
! Remocin de vapores
! Recambio de CO2
! Abastecimiento de O2
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Cargas internas
Konvektion
Strahlung
Verdunstung
Gesamtwrmeabgabe einer Person
140
120
100
80
60
40
20
0
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Carga de calor de una persona
Evaporacin (calor latente)
Radiacin
Conveccin
Temperatura del aire [C]
Transferecniadecalor[W]
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Cargas internas Caso ofic ina 20m, 2 personas, c/u 1 Computador
500 Lux
24,2 W/m
9,1 W/m
8,8 W/m
6,3 W/m
70%
15,4 W/m31,1 W/m34,5 W/mTotal
9,1 W/m11,7 W/m13,0 W/m2 x 130WEquipos
-11,3 W/m12,5 W/m
2,5 W
cada100
Lux
cadam
Iluminacin
6,3 W/m8,1W/m9,0 W/m2 x 90 WPersonas
70%
sin
iluminacin
90%100%Simultaneidad
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Clima (grados-da Santiago: ~1500 Mayo-Sept. z=150das; Dsseldorf: ~3300 Sept.-Mayo z=273das, Tref=20C)
Clima
Clima de Santiago y Berln
0
1
2
3
4
5
6
7
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
Radiacinsolarhorizontal[kWh/m2d]
-5
0
5
10
15
20
25
Tambiental[C]
IG Santiago [kWh/m2d] IG Ber lin [kWh/m2d]
Tamb Santiago [C] Tamb Berlin [C]
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Radiacin solar sobre superficies verticales en edificios
Clima
Invierno
N
Invierno
NN
Verano
N
Verano
NN
Primavera/OtooN
Primavera/OtooNN
Verano
Otoo/
Primavera
Invierno
S
N
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Aprovechamiento solar en invierno y proteccin en el verano
Clima
21. Junio
21. Diciembre
21.Marzo/Septiembre
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Emplazamiento de un conjunto habitacional
Clima
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Prdidas por transmisin calor de un edificio
Fsica
delacons
trucci
n
Techo: 15%
Muro: 15%
Stano: 7%
Ventanas: 31%
! Marco y vidrio: 19%! Fugas : 12%
Calefaccin: 7%
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Valores U muro exterior en funcin del espesor aislacin
Fsica
delacons
trucci
n
Construccin: ! Enlucido interior! Muro! Aislacin! Enlucido exterior
2 cm
24 cm040 W/mK2 cm
Construccin: ! Enlucido interior! Muro! Aislacin! Enlucido exterior
2 cm
24 cm040 W/mK2 cm
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Elementos masivos y su capacidad de almacenamiento energtico
Fsica
dela
cons
trucci
n
Aislacin
Proteccin solar
Ventana norte
Masa dealmacenamientode calor
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Elementos masivos y su capacidad de almacenamiento energtico
Fsica
delacons
trucci
n
Sensacin trmica [C]
Hora del da
Ofici
naeste,
const.l
igera
Oficin
aeste
,const
.masi
va
Tempe
ratu
raambi
ental
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Puentes trmicos
Fsica
dela
cons
trucci
n
Lozas balcn
Loza sin aislacin
Loza aislada
Temperatura [C]
Montaje ventana
Loza sin aislacin
Loza aislada
Sinaislacin
Aislacin sinempalme
Aislacin conempalme
Ventana ensector aislado
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Tipos de vidriado
Fsica
delacons
trucci
n
U
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Transmisin de calor
Fsica
dela
cons
trucci
n
AcristalamientoaisladoPrdidas por periodo de calefaccin
250 kWh/m=25 l comb./m
Acristalamientode proteccin trmica(gas argn)Prdidas por periodo de calefaccin
110 kWh/m=11 l comb./m
U = 3,0 W/mK U = 1,3 W/mK
Factor de transmisin
de luz= 81%
Factor-g = 77%
Temperatura de
pared = 8C
Temp. Interior = 20C
Temp.
exterior
= -10C
Factor de transmisin
de luz= 76%
Factor-g = 62%
Temperatura de
pared = 15C
Temp. Interior = 20C
Temp.
exterior
= -10C
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Proteccin solar tecnologas de sombramiento
Fsicade
lacons
trucci
nElementosmovibles
Elementos
fijos
Invierno Verano
Direccionamientoluz solar
Reflexin luz
de da
Persianas
exteriorese interiores
Toldo Celosas
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Ventilacin por medio de abertura ventanas
Tecno
log
as
decl
imat
izac
in
> 40,0Ventana opuesta abierta
9,0 15,0Ventana abierta entera
5,0 10,0Ventana media abierta
0,8 4,0Ventana inclinada
0,1 - 0,3Puertas y ventanas
cerradas
Recambio de aire po r
horaGrado de abertura
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Ventilacin forzada Principio de funcionamiento
Tec
nologas
decl
imat
izac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacindinmica
Ventilacin forzada Tipos de ventilacin
Tecno
logas
decl
imat
izac
in
Ventilacin extractivasin recuperacin de
calor
Ventilacin conrecuperacin de calor
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Calefaccin Generacin de calor
Tec
nologas
decl
imat
izac
in
Calderas de baja temperaturaCalderas de condensacin
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Calefaccin Cuerpos calefactores
Tecno
logas
decl
imat
izac
in
Convectores
Placas Radiador
Losa radiante
Conveccin Radiacin
!Alto grado de radiacin
! Bajo contenido de agua
!Alto grado de conveccin
!Alto contenido de agua
! Conveccin mxima
! Bajo contenido de agua!Alto grado de radiacin
!Alta masividadde
acumulacin energtica
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Calentamiento de agua - Sistemas solare trmicos
Tec
nologas
decl
imat
izac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Refrigeracin
Tecno
logas
decl
imat
izac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
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Intercambiadores subterrneos Sondas geotrmicas
Tec
nologas
decl
imat
izac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Mallas capilares y hormign de ncleo activado
Tecno
logas
decl
imat
izac
in
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Simulacin dinmica
Decisin
La simulacin trmica de edifici os como herramienta para laplanificacin Input Geometra del edificio HVAC Usuario
Clima
Modelacin - simulacin
Output Clima interior Recambio de aire entre zonas Consumo en
calefaccin/refrigeracin Demanda energtica
Flexibilidad en el diseo:
Materiales (madera, ladrillos, )
Construccin (aislacin, )
Conceptos de calefaccin /refrigeracin
Elementos de sombra (interior,exterior, persianas, celosas)
Condiciones internas (rgimen deuso, computadores, )
Operacin (ventilador, luz, )
Eficiencia mecnica
Orientacin del edificio
Diseo arquitectnico (techo vidriado,fachada de dobel vidriado, )
Emplazamiento (Santiago, Aachen,..)Simulac
in
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Edificio de ofi cinas en Aachen, un ejemplo de planificacin integral
Sim
ulac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Planos del arquitecto (Hahn Helten Architekten, Aachen)
Simulac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
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Sim
ulac
in
""""####$$$$%%%%&&&&''''(((())))****++++,,,,----""""####$$$$%%%%
Confeccin modelo 3D (escala 1:1)
- Asignarconstruccionesy materiales
- Clculoefectode sombras
- ModelacinCAD
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Asignacin elementos de construccin
Simulac
in
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Sim
ulac
in
Concepto de calefaccin y refrigeracin
Sondas geotrmicas
Hormign de
ncleo activado
Bomba de calor
Estanque acumulador
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Resultados Sensacin trmica
Temperatura ambiente [C]
Temperaturasensible[C]
Existe sobrecalentamiento. Decisin: analizar ventilacin nocturna, efecto de
persianas, vidriado de proteccin solar, sistema de refrigeracin
Simulac
in
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Ventilacin nocturna
Sensacin termica [C]
Time
No hay un mejoramiento considerable producto del enframiento nocturno de la masaSim
ulac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Optimizacin de los elementos de construccin
! Vidriado simpl e, doble (termopanel) o tripl e. Marcos de aluminio, acero, madera,
plstico. Vidrios de proteccin trmica o s olar.
! Persianas exteriores o interiores. Celosas.
!Aislacin y mater iales al ternat ivos .
Simulac
in
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
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Optimizacin demanda energtica
100% 100%100%100%
84%
72%68%
54%53%
40% 43%
22%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Ahorrorelativo
Variante C
Variante BVariante ASim
ulac
in
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Salvaguardia del clima i nterior
304
1470
100
200
300
400
500
C
antidadd
e
h
o
ras
>24C >25C >26C >27C >28C >29C >30C
Sensacin trmica
Temperatura aire
Rango temperaturas
Simulac
in
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-
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Sim
ulac
in
Salvaguardia del clima i nterior
147
10021
00
100
200
300
400
500
Cantidad
dehoras
>24 >25 >26 >27 >28 >29 >30
Persiana exterior
Vidriado de proteccin solar
Refrigeracin en losa
Referencia
Rango temperatura
Oficinanorte
Clima, Medioambiente y potencial de ahorro Planificacin integral El edificio sist.termodinmico Simulacin dinmica
Balance de energaConsumo energa primaria:
Electricidad: 45 kWh/m
Calefaccin: 40 kWh/m
Refrigeracin: 10 kWh/m
Total: 95 kWh/m
Electricidad [kWh/ma]Calefaccin [kWh/ma]
Refrigeracin [kWh/ma]
Total [kWh/ma]
4540
10
95
120190
90
400
Edificio estndar Edificio en Aachen
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Planificacin integral
! Superficie: 2.100 m
! Demanda calefaccin: 40 kWh/ma
! Electricidad: 45 kWh/ma
! Electricidad(refrigeracin): 10 kWh/ma
! Costos totales: 2,7 Mill.
Resultados concretos
Concepto de diseo arquitectnico
! Diseocompacto: A/V=0,37
! Porporcinsuperficie ventanas: ~30%
! Envolvente aislada: 200 mm,k=0,35 W/mK
! Construccinmasivacon altaproporcinde elementosprefabricados
Concepto de diseo tcnico
! Sondasgeotrmicas paracalefacciny refrigeracin
! Bombade calorelctrica
! Hormign de ncleoactivadocomocuerpocalefactor
! Sistema de control
! Control de la iluminacinartificial enfuncindel gradode luminosidadnatural
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Eficiencia energtica en la planificacin integral
Sistemade control BUS y operacin
! Control sistemade calefaccin yrefrigeracin
! Control sistemade ventilacin
! Control de la iluminacinaritificial
! Sistemacontra robo(Alarma)
!Management de energa
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Eficiencia energtica en la planificacin integral
Management de energa
! Clculo y evaluacinde indicadoresenergticos
!Control de costos
!Monitoreooperacinde equipos
! Identificaciny evaluacinde medidas deahorro
0
50
100
150
200
250
300
Es t nd ar a nter io r WSchV O 19 84 WSchV O 1 99 6 Ca sa s d e b ajo
consumo
Casa Pasiva
Indicadoresenergticos[kWh/m2a]
Electricidad residencial
Electricidad ventilador
Agua caliente
Calefaccin
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Nuestros p royectos Glaskubus,Aachen 140 m,ao 2000, 2 mill.
Spree Karree, Berlin21.000 m, ao 2003
Maritim Hotel, Dsseldorf
72.000 m, ao 2007, 80 mil l.
Finanzamt Aachen,
26.000 m, ao
2005, 35 mill .
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Gracias por su atencin!