Comportamiento del estándar Passivhaus en el verano Mediterráneo
Éxito de una Passivhaus
El éxito del funcionamiento de las viviendas Passivhaus, en climas templado-frío, ya ha sido ampliamente demostrado en los últimos 20 años a través de diferentes estudios de investigación teóricos y prácticos.
La notoriedad del existo de los resultados de estas experiencias han contribuido de forma fundamental al éxito y difusión del estándar Passivhaus en todo el mundo.
En la fase actual de difusión del estándar Passivhaus en diferentes climas, siempre surge la pregunta de si el “Set Solutions of Passivhaus” elaboradas para el clima de Europa central también garantiza una excelente eficiencia en diferentes climas de todo el mundo.
El presente análisis se realiza con el objetivo de ofrecer una primera visión del funcionamiento real de una casa pasiva residencial durante el verano en un clima mediterráneo. Desde Energiehaus hemos participado como diseñadores Passivhaus en esta vivienda.
Los resultados de este análisis se entienden como una pequeña contribución acerca de la pregunta,
¿Funciona la Casa Pasiva también en clima cálida?
Foto: Pol Viladoms
Descripción, localización y comportamiento del usuario
MZ House es una vivienda unifamiliar situada en Barcelona. La vivienda unifamiliar consta de una sola planta y está situada cerca de una carretera muy transitada (ronda de Dalt). La playa se encuentra unos 6 km de distancia de la vivienda.
El clima mediterráneo típico de Barcelona tiene una temperatura media de 24-25 ºC en agosto, combinado con una humedad relativa media de 60-70%.
MZ House es el resultado de un proceso de rehabilitación bajo los criterios del estándar Passivhaus.
El edificio original, que data del año 1918, se encontró en unas condiciones térmicas muy básicas. En invierno tenia una demanda de calefacción de 171 kWh / m2a, segúnPHPP. Después de la rehabilitación, esta demanda se redujo a 17,5 kWh/m2a, cumpliendo así casi con los criterios Passivhaus .
El grado de confort calculado durante el verano (antes y después de la rehabilitación) se mantuvo en un 10% de frecuencia de sobrecalentamiento, con 26ºC como referencia, y 14,7% con 25ºC como temperatura de referencia.
La vivienda consta de 70m2 superficie útil aproximadamente. El salón comedor está orientado hacia el jardín (en el noreste), con muy pocas ganacias solares en invierno. La fachada a calle contiene dos pequeñas aberturas. Tiene un edificio alto en frente..
Para reforzar y alcanzar los criterios de construcción según el estándar Passivhaus, se diseña un lucernario con orientación al sudoeste. El aislamiento en paredes es entre 14-18 cm, en el techo 28cm y el aislamiento en suelo es de 6 cm
Se instalan marcos de ventanas de madera (90 mm; 1,1 W/m2k) y ventanas con doble acristalamiento con vidrio bajo emisivo (1,1 W/m2k; valor g 0,58) adecuado para las condiciones de confort del clima Mediterráneo.
La inercia térmica del edificio es muy baja, debido a la colocaión del aislamiento térmico por el interior del edificio.).
El sistema de ventilación HRV dispone de una certificación Passive House, de doble flujo con recuperador de calor que garantiza una excelente calidad del aire interior en la vivienda.
Debido a las complejas condiciones constructivas, la estanqueidad al aire alcanza “solo” un valor de n50 de 2,3/h.
Los usuarios del edificio son una familia de cuatro personas, muy conscientes de las medidas de ahorro de energía. En los dos años analizados, 2013 y 2014, la familia no utilizaba la vivienda durante 6 semanas en los meses de verano (mediados de julio hasta finales de agosto), por lo que el análisis del confort se centra en el periodo de ocupación de la vivienda: junio, primera mitad de julio y septiembre.
En cuanto a la estrategia de ventilación, la ventilación mecánica se mantiene en funcionamiento, siempre que la vivienda estaba ocupada. La tasa de renovación de aire constante es de 30 m3 por hora y persona. Debido al uso intensivo del jardín, los niños mantienen abierto la gran ventana corredera (elevadora) hacia el jardín a lo largo del día (vacaciones escolares).
En las noches de verano, se realiza una ventilación natural cruzada muy intensa. El nuevo lucernario no tenía aún instalada la protección solar externa, por lo que se cubrió con un elemento provisional. El edificio no dispone de aire acondicionado.
Resultados medidos y análisis de los datos
Se registran dos años de monitorización de las temperaturas internas y externas, así como de la humedad relativa y la concentración de CO2. No se dispone de datos sobre la radiación solar del sitio. Durante el tiempo de análisis, la concentración de CO2 nunca supera los 1000 ppm de CO2.
Se debaten las siguientes dudas sobre el confort durante el verano, siempre durante la fase de uso de la vivienda:
- Funcionamiento general durante el verano (frecuencia de sobrecalentamiento)
- El promedio de temperatura exterior entre mayo y septiembre durante 2013/14 fue de 22,60 / 23,28 ºC, mientras que los datos oficiales de PHPP para la ciudad de Barcelona son 23,6ºC.
La temperatura interior analizada en verano tiene un promedio de 25,2ºC durante 2014 y de 25,5ºC durante 2013. La frecuencia de sobrecalentamiento correspondiente por encima de 25ºC durante la fase de uso (aquí todo el año) es del 13,0% en 2014 y del 14,3% en 2013.
Este resultado demuestra que el edificio se comportó de modo muy similar a los cálculos teóricos realizados con el PHPP (14,7%). Curiosamente, el propietario no se quejó de las altas temperaturas, sino de la alta humedad relativa registrado dentro del edificio, en época de verano.
Modelo de confort adaptativo
Los datos recopilados se organizaron y compararon siguiendo los resultados del estudio ASHRAE RP-884. Este estudio utiliza más de 22,000 datos de 160 edificios en diferentes zonas climáticas, la mayoría de ellos ubicados en climas cálidos. Como conclusión, el estudio concluye en la siguiente fórmula, resultando una aceptabilidad del 90% (edificios sin AC): Tconf = 18,9 ºC + 0,255 * temperatura exterior ± 2,5.
Los diferentes parámetros de confort, como son el nivel de vestimenta, el índice metabólico o la velocidad del aire no se conocen para el uso de esta comparativa, por lo que las cifras presentadas deben analizarse con cierta precaución.
En la Figura 2, se muestran las temperaturas de la habitación en función de las temperaturas exteriores, también los límites superiores e inferiores de ASHRAE-RP-884 y la propuesta de la PHI para el límite superior de confort.
Se observa un excelente comportamiento de las temperaturas del edificio. El graficó muestra que muy pocas horas han superado los críticos 26ºC. La misma situación se detecta en el verano de 2014 (Figura 3).
¿Qué sucede durante una ola de calor durante el verano?
- El edificio no tiene masa térmica, como se indicó anteriormente. Siguiendo ISO-EN-13790, se supone una envolvente ligera con una constante de tiempo de 20 horas. Por lo tanto, se analizan más profundamente dos semanas durante el verano de 2013 y 2014:
- la Figura 4 muestra que la fase de desplazamiento de las temperaturas es de aproximadamente 5 horas, en comparación con lo que EN-ISO-13786 sugiere como valor mínimo de 10 horas. Durante el período analizado, notamos que el edificio responde a cambios bruscos de temperatura en menos de 20 horas. El mismo fenómeno se repite para el año 2014 (ver Figura 5: 13 de septiembre).
CONCLUSIONES
A pesar de que la constante de tiempo del edificio es baja (valores reales), y el desfase de las temperaturas es muy reducido (3-5 horas), curiosamente la vivienda funciona excelentemente en lo concierne las temperaturas ambientales .
La figura 8 muestra que las temperaturas solo superan el límite de 27 ºC en muy pocas horas. Sin embargo, es interesante estudiar más a fondo si una mayor masa térmica podría amortiguar mejor las oscilaciones delclima y mejorar así el comportamiento del edificio. También la humedad relativa parece ser un problema que debe estudiarse con más detalle.
Como se muestra en el gráfico inferior, en la casa MZ hay un periodo donde los límites de confort están superados. Este hecho fue confirmado por los usuarios, que indicaron una sensación de humedad demasiado alta en el interior de la vivienda en epoca de verano. De todos modos, este problema no es un problema específico de la vivienda Passivhaus, sino suele ocurrir en cualquier edificio expuesto a la humedad alta que es característica para la zona del Mediterráneo.
Referencias:
Puedes leer el artículo completo en: https://passipedia.org/examples/residential_buildings/single_-_family_houses/southern_europe/palau_passive_house_barcelona_spain
Comfort and Passive House in the Mediterranean summer
Functioning of Passive Houses in cool temperate climate has been proved extensively in different theoretical and practical research studies in the last twenty years. The very good results of these living experiences has contributed essentially to the success of the standard worldwide.
With the actual phase of diffusion of the standard in different climates, the question arises whether the standard set of solutions elaborated for central European climate also guarantees this excellent functioning in different climates all over the globe.
The present contribution gives a first insight into the real functioning of two residential Passive Houses in Mediterranean summer, where the author has been involved as a Passive House designer.
This findings are understood as a small part of a puzzle that should respond to the often heard doubt of Mediterranean experts, stating that Passive Houses are not the right building standard for the Mediterranean summer.
Figure 1 left: MZ House; Architect: Calderon Folch Sarsanedas. Photo: Pol Viladoms & Calderón Folch Sarsanedas
Figure 1 right: Palau House; Architects: E.Jordan & M.Wassouf. Photo: Micheel Wassouf
MZ House
Description of building, site and user behaviour
MZ House is a mid of terraced house in a northern district of Barcelona. The district is characterized by low density, urban structure. The one story terraced house is situated closely to a busy highway.
The beach of the city is about 6 km away. Typical Mediterranean climate of Barcelona has an average temperature of 24-25 ºC in August, combined with an average relative humidity of 60-70%. MZ House is the result of a retrofit process finished in 2012, based on Passive House criteria. The original building dates from 1918, and has been converted from very basic thermal conditions in winter time (heating demand 171 kWh/m2a calculated with PHPP) to an almost Passive House (17,5 kWh/m2a).
The calculated summer comfort in both cases (before and after retrofitting) remained at 10% overheating frequency, with 26ºC as reference, and 14,7% with 25º C as reference temperature. The building has about 70m2 of treated floor area, being the garden and living side oriented toward northeast, meanwhile the street side have only two small openings, with large shadowing.
To reach the Passive House criteria, a new rooflight has been designed, with a south-western orientation. Insulation of walls between 14-18cm, roof 28cm and floor slab 6cm has been added. Simple wooden window frames (90mm; 1,1 W/m2k) and double low emission glasses (1,1 W/m2k; g-value 0,58) has been installed suitable to Med-climate comfort conditions.
The resulting thermal inertia has been estimated as very low, as the envelope components are composed by wooden beam structure (garden side and roof) and interior insulation (street side and laterals). A Passive House certified HRV-ventilation system guarantees the fresh air requirements. Due to complex constructive conditions, the building airthightness reaches “only” an n50 value of 2,3/h. The user of the building is a four person family, highly aware of energy saving measures.
In both of the analyzed years, 2013 and 2014, the family left the building unused during 6 weeks of summer (middle of July till end of August), so the comfort analysis has been concentrated during occupancy of the building: June, first mid of July and September. Concerning the ventilation strategy, the mechanical ventilation has been kept running through all the occupancy time with standard intensity rate (30 m3 per hour and person).
Further, due to highly usage of the garden, the children kept open during large time of the day (school holidays) the big opening toward the garden. In summer night, an intensive natural cross ventilation has been performed. The above mentioned rooflight, until now without any external sun protection, has been covered temporarily. No active air conditioning has been installed.
Measured results and analysis of data
Two years of monitorization have been registered: Next to internal and external temperatures, also relative humidity and CO2 concentration. No radiation data was available.
The CO2 concentration never exceeded 1000 ppm of CO2. Internal air quality is not matter of this analisis.
The following questions are discussed concerning summer comfort, always regarded during usage phase of the dwelling:
- Overall summer behaviour (overheating frecuency)
Average exterior temperature of summer 2013/14 had been 22,60 / 23,28 ºC, meanwhile the PHPP official data for Barcelona is 23,6ºC. The measured average indoor temperature is 25,2ºC for 2014 and 25,5ºC for 2013. The correspondent overheating frequency above 25ºC during usage phase is 13,0% in 2014, and 14,3% in 2013.
PHPP calculated 14,7% with a typical Barcelona summer. This result shows that the building is performing beyond the allowed level of comfort after Passive House design principals. Curiously, the owner didn’t complain about the high temperatures, but rather a too humid indoor climate.
- Adaptive comfort model
The collected data have been organized and compared following the ASHRAE RP-884 study outcomes. This study uses more than 22.000 data sets from 160 buildings in different climate zones, most of them situated in hot climate. As a conclusion, the study concluded in the following formula, resulting in an acceptability of 90% (buildings without AC): Tconf = 18,9 ºC + 0,255 * outside temperature ± 2,5.
Different comfort parameters, as clothing, metabolic activity or air velocity are not known for this comparison, so the presented figures have to be analyzed with a certain caution. In Figure 2, room temperatures depending on exterior temperatures are shown, also upper and lower ASHRAE-RP-884 limits and the proposal of the PHI for the upper comfort limit.
A very good behavior of temperatures of the dwelling is stated. Only very view hours have crossed the critical 26 ºC. The same situation is detected for summer 2014 (Figure 3).
Time constant in summer
What happens during a heat wave during summer? The building has no thermal mass, as stated above.
Following ISO-EN-13790, a lightweight envelope is assumed with a 20 hour time constant. Therefore we look closer at two weeks in summer 2013 and 2014: Figure 4 shows that the phase displacement of temperatures are about 5 hours, quiet low compared to what EN-ISO-13786 suggests as minimum value of 10 hours.
During the studied period, we notice that the building responds to sudden temperature changes within less than 20 hours. The same phenomena is repeated for the year 2014 (see Figure 5: 13th September).
- Time constant in summer
What happens during a heat wave during summer? The building has no thermal mass, as stated above. Following ISO-EN-13790, a lightweight envelope is assumed with a 20 hour time constant. Therefore we look closer at two weeks in summer 2013 and 2014:
Figure 4 shows that the phase displacement of temperatures are about 5 hours, quiet low compared to what EN-ISO-13786 suggests as minimum value of 10 hours. During the studied period, we notice that the building responds to sudden temperature changes within less than 20 hours. The same phenomena is repeated for the year 2014 (see Figure 5: 13th September).
Conclusion
Although time constant for the studied light weight dwellings is not higher than one day in summer, and the phase shifting of temperatures are quiet low (3-5 hours), curiously the 2 dwellings perform excellently on means of comfort.
Figure 8 shows that temperatures only exceed during very few hours the 27 ºC frontier. However, it is interesting to further study whether a higher thermal mass could damp better weather oscillations and improve the behavior of such buildings.
Also relative humidity seems to be an issue that should be studied with more detail, as shown in the lower graph, with a certain amount of hours in MZ house beyond the extended comfort limits.
This is confirmed by the users, stating too high humidity inside of the dwelling. Anyway, this issue is not a specific Passive House problem.
Puedes leer el artículo completo en: https://passipedia.org/examples/residential_buildings/single_-_family_houses/southern_europe/palau_passive_house_barcelona_spain
