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PROYECTO DE FIN DE
CARRERA ENERGETICA Y NORMA EN EL
EDIFICIO ESPANOL Este proyecto nos permite de estudiar la norma española (Documento Básico HE) con el fin de realizar un programa y de determinar la eficiencia de un edificio al frente de esta norma.
ANTHOUARD Florence HILLON Arnaud RAQUIN Thomas Parte de HILLON Arnaud 25/03/2010
ANTHOUARD Florence HILLON Arnaud
RAQUIN Thomas
2 Proyecto de Fin de Carrera
INDICE
INTRODUCCION ....................................................................................................................................... 3
3. Elementos especiales de la envuelta del edificio ............................................................................ 4
a) El muro Solar ............................................................................................................................... 4
Presentación del muro Solar ................................................................................................... 4
Ecuaciones generales para el cálculo de la contribución bruta .............................................. 5
b) El muro Trombe ........................................................................................................................... 6
Presentación del muro Trombe ............................................................................................... 6
Ecuaciones generales para el cálculo de la contribución bruta .............................................. 7
c) El muro Patrietodinamico .......................................................................................................... 10
Presentación del muro Patrietodinamico ............................................................................. 10
Ecuaciones generales para el cálculo de la contribución bruta ............................................ 11
CONCLUSION ......................................................................................................................................... 14
ANTHOUARD Florence HILLON Arnaud
RAQUIN Thomas
3 Proyecto de Fin de Carrera
INTRODUCCION
Estudiantes en la Escuela de Ingenieros Polytech’Savoie de la Universidad de Savoie en
Francia, nosotros, Florence Anthouard, Arnaud Hillon y Thomas Raquin, hemos elegido la Escuela
Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla, lugar para acabar nuestra carrera de ingeniero y
hacer nuestro proyecto de fin de carrera.
El proyecto de fin de carrera es un proyecto que nos da la posibilidad de estudiar un punto
en particular de nuestra formación de manera más sencillo al fin de conseguir a resolver un problema
o de estudiar de manera más profundada un tema. En acuerdo con nuestro profesor de “Instalación
Térmica En el Edificio”, Servando Álvarez Domínguez que trabaja en la Escuela Superior de Ingenieros
de la Universidad de Sevilla, hemos elegido un proyecto que trata de la energética en el edificio. Este
tema es uno de los que nos interesa lo más y que será más o menos el titulo del trabajo futuro que
intentaremos de encontrar.
De manera más enumerada, el objeto de este proyecto es en primer lugar el estudio de la
norma española en cuento a la térmica en los edificios del país. En segundo lugar hemos estudiado
los elementos especiales de la envuelta de un edificio que permiten de disminuir las consumiciones
de ese mismo. Por fin, hemos realizado un programa (que explicaremos en tercero lugar) que nos da
la posibilidad de definir el Indicador de Eficiencia Energética del edificio (IEE) que representa la
cualidad del edificio al frente de un edificio de referencia que tendría la misma estructura pero con
coeficientes de transmisión predefinidos por la norma. Además, este programa Excel, permite de
añadir elementos especiales sobre cualquier cerramiento de nuestro edificio mejorando así el
coeficiente IEE de ese.
Para empezar, una presentación de la norma y un resumen de los datos que utilizaremos
después nos parecen importantes al fin de entender el funcionamiento de la norma española y las
características del edificio que contaran para el cálculo de su eficiencia.
ANTHOUARD Florence HILLON Arnaud
RAQUIN Thomas
4 Proyecto de Fin de Carrera
3. Elementos especiales de la envuelta del edificio Al fin de disminuir la demanda energética de los edificios estudiados, hemos elegido tres
soluciones (que llamaremos muros especiales) que son el muro solar, el muro Trombe y el muro
parietodinamico. Estas soluciones nos permitirían jugar con las ganancias mejorando la envuelta del
edificio. Los tres tipos de muros tienen que ser añadido al edificio de manera a dejar su aspecto
inicial cambiando su eficiencia energética. Este tipo de muro es un sistema de calefacción que utiliza
la energía solar al fin de calentar el aire interior por efecto de conducción y/o de convección.
a) El muro Solar
Presentación del muro Solar
La radiación solar, de longitud de onda pequeña, cruza el vidrio (que tiene que ser de
cualidad), y transmite el calor a la cámara de aire en forma de radiación térmica de longitud de onda
larga. Es el efecto invernadero que es el motor y punto sencillo de este sistema. Después, el calor
esta transmitido, por conducción, a un muro compone de un material de inercia fuerte. Este calor
almacenado en el muro estará redistribuido con un desfasaje que esta función del tipo de muro. Por
ejemplo, un espeso de 40 cm de hormigón, hace un desfasaje de once horas más o menos.
La convección natural, que limita la transmitancia de calor, está ocurriendo en la cámara de
aire, pero quizás reducida disminuyendo el espacio entre el vidrio y el muro. La estanqueidad es total
entre el vidrio y el muro, no hay circulación acrílica entre el interior y el exterior. Esta técnica permite
de aprovechar de una ganancia de calor pasiva y difiere en el tiempo. Al fin de optimizar el conjunto,
es posible de aislar el vidrio durante la noche con un sistema de persiana, de manera a minimizar las
perdidas térmicas. Es también posible de cubrir el lado exterior del muro con una pintura sombra, al
fin de aumentar la transmitancia de calor.
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RAQUIN Thomas
5 Proyecto de Fin de Carrera
Ecuaciones generales para el cálculo de la contribución bruta
Los datos necesarios para el cálculo de las perdidas y de las ganancias del muro solar
aparecen sobre esta figura.
Calculo de las perdidas :
𝑈𝑜 =1
𝑅𝑒+
1
𝑅𝑒𝑒+
1
𝑅𝑐+
1
𝑅𝑒𝑖+
1
𝑅𝑖 [𝑾 𝒎𝟐𝑲 ]
Con,
𝑅𝑐 =1
𝑟 +𝑐2
[𝒎²𝑲/𝑾]
Entonces,
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑈𝑜 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 ∗ 𝐺𝐷 [𝑘𝑊]
Calculo de las ganancias :
El factor solar se exprima así:
𝐹𝑆 = 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑔
𝑅𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝐸𝑥𝑡 = 𝑅𝑒 + 𝑅𝑒𝑒 + 𝑅𝑐 [𝒎𝟐𝑲 𝑾 ]
Entonces ahora podemos determinar el aire solar:
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑅𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝐸𝑥𝑡 ∗ 𝑈𝑜 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 [𝒎𝟐]
𝐴𝑠 = 𝐹𝑠 ∗ 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 [𝒎𝟐]
Pues,
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 = 𝐴𝑠 ∗ 𝐼𝑠𝑜𝑙 [𝒌𝑾𝒉]
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6 Proyecto de Fin de Carrera
Contribución bruta :
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 − 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝐹𝑈 [𝒌𝑾𝒉]
b) El muro Trombe
Presentación del muro Trombe
El muro Trombe es constituido por una pared sombra situado a detrás de un vidrio. Para un
funcionamiento sencillo del elemento, se debe ponerlo sobre una pared que tiene una orientación lo
más cerca del todo Sur. Al contrario de los muros que acumulan energía, la transferencia térmica
puede hacer de dos manera distintas:
Funcionamiento diurno durante el periodo de calefacción
El muro y el vidrio de nuestro elemento son dos elementos separados por una cámara de
aire lo que aumenta el efecto invernadero a dentro de la cámara al fin de subir su temperatura. El
aumento de la temperatura cree el movimiento del aire que entra a bajo del muro (trasiego del aire
interior) y sale arriba (impulsión del aire calentado). Así pues, Durante el periodo de insolación, los
orificios situados en el muro que permiten la circulación de aire están abiertos como lo vemos sobre
la figura siguiente:
Funcionamiento nocturno durante el periodo de calefacción
Cuando no hay más cargas de calefacción instantáneas o cuando el sol no calienta más la
pared, los orificios están cerrados. El calor acumulado por el muro se transferencia durante varias
horas a dentro de la habitación por efecto de conducción a través del muro. Así pues, el muro
Trombe funciona como un muro solar:
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7 Proyecto de Fin de Carrera
Ecuaciones generales para el cálculo de la contribución bruta
Principio de superposición
El principio de superposición permite que se realicen de manera desacoplada los desarrollos
de pérdidas y ganancias, por tanto los desarrollos a realizar son: determinación del coeficiente de
perdidas “H” y determinación del área solar “As”.
Esquema eléctrico equivalente
Para calcular las pérdidas y las ganancias del muro Trombe que nos permitieran después de
determinar la reducción de demanda que sería posible con este tipo de elemento, tenemos en
primer lugar que hacer la transformación del esquema eléctrico equivalente triangulo en esquema
eléctrico equivalente estrella:
= +
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8 Proyecto de Fin de Carrera
Antes de empezar los cálculos de las perdidas y de las ganancias, necesitamos hacer estos
cálculos previos con los valores presentes sobre el esquema:
𝑅𝑣𝑟 =𝑟
𝑐 ∗ 2 ∗ 𝑟 + 𝑐
𝑈𝑖 =1
𝑅𝑖 + 𝑅𝑒𝑖 +𝑅𝑐2
𝑈𝑒 =1
𝑅𝑒 + 𝑅𝑒𝑒 +𝑅𝑐2
1
𝑍= 𝑅𝑣𝑟 +
1
𝑈𝑒 + 𝑈𝑖=
𝑟
𝑐 ∗ 2 ∗ 𝑟 + 𝑐 +
1
𝑈𝑒 + 𝑈𝑖
Entonces viene a valor de K (función de Z),
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9 Proyecto de Fin de Carrera
𝐾 = 1 − exp(−𝐴 ∗ 𝑍
∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉)
Calculo de las perdidas y de las ganancias en la cámara de aire
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚 = 𝑈𝑒 ∗ 𝐴 ∗ 𝐺𝐷 ∗24
1000[𝒌𝑾𝒉]
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚 = 𝐼𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝐴 ∗ 𝑔 ∗ ∗ 𝐹𝑠 ∗ 𝐹𝑓 ∗ 𝑅𝑒𝑖 + 𝑅𝑖 ∗ 𝑈𝑜 [𝒌𝑾𝒉]
Estos valores nos permiten de calcular los números sin unidad siguiente que utilizaremos en
las formulas de las pérdidas y ganancias por ventilación:
𝛾𝑐𝑎 =𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚
= 1 − exp −2 ∗ 𝛾𝑐𝑎0,2 𝛾𝑐𝑎
= 1 − exp −0,75 ∗ 𝛾𝑐𝑎0,3
2
Calculo de las perdidas :
𝑈𝑜 =1
𝑅𝑒+
1
𝑅𝑒𝑒+
1
𝑅𝑐+
1
𝑅𝑒𝑖+
1
𝑅𝑖 [𝑾 𝒎𝟐𝑲 ]
𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡 =𝑈𝑜
𝑈𝑖∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾 ∗
𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑒𝑖 + 𝑅𝑖 ∗𝑈𝑜
𝑈𝑒
𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 =𝑈𝑜
𝑈𝑖 + 𝑈𝑒∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾 ∗
Entonces,
𝑈𝐴 = 𝐴𝑈𝑜 + 𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡 + 𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 [𝑾/𝑲]
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑈𝐴 ∗ 𝐺𝐷 ∗24
1000 [𝒌𝑾𝒉]
Calculo de las ganancias : Área Solar
𝐴𝑠 = 𝑔 ∗ ∗ 𝐹𝑠 ∗ 𝐹𝑓 ∗ 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 ∗ 𝐴𝑣𝑒𝑛𝑡
Con,
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 ,0 + 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑𝑉𝑒𝑛𝑡
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 ,0 = 𝐴 ∗ 𝑈𝑜 ∗ 𝑅𝑎𝑏𝑠𝐸𝑥𝑡
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10 Proyecto de Fin de Carrera
Y por fin,
𝑅𝑎𝑏𝑠𝐸𝑥𝑡 = 𝑅𝑒 + 𝑅𝑒𝑒 + 𝑅𝑐𝑎
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑𝑉𝑒𝑛𝑡 = −𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 ∗𝑈𝑜
𝑈𝑒∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾 ∗
La expresión de Rvent es la misma que la utilizada para el cálculo de las perdidas:
𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑒𝑖 + 𝑅𝑖 ∗𝑈𝑜
𝑈𝑖
𝐴𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 ∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾 ∗
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 = 𝐴𝑠 ∗ 𝐼𝑠𝑜𝑙 [𝒌𝑾𝒉]
Contribución bruta :
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 − 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝐹𝑈 [𝒌𝑾𝒉]
c) La muro Patrietodinamico
Presentación del muro Patrietodinamico
El muro parietodinamico es más o menos una réplica del muro Trombe. Es constituido por
una pared sombra situado a detrás de un vidrio. Para un funcionamiento sencillo del elemento, se
debe también ponerlo sobre una pared que tiene una orientación lo más cerca del todo Sur. La
transferencia térmica puede hacer de dos manera distintas:
Funcionamiento diurno durante el periodo de calefacción
El muro y el vidrio de nuestro elemento son dos elementos separados por una cámara de aire
lo que aumenta el efecto invernadero a dentro de la cámara al fin de subir su temperatura. Como
para el funcionamiento del muro Trombe el aumento de la temperatura cree el movimiento del aire
que entra a bajo del muro pero esta vez, el aire que entra llega de fuera (trasiego del aire exterior). El
fluido sale arriba (impulsión del aire calentado). Entonces, este sistema no solo permite de calentar
el aire de impulsión sino también de renovar el aire interior. Así pues, Durante el periodo de
insolación, los orificios situados están abiertos como lo vemos sobre la figura siguiente:
ANTHOUARD Florence HILLON Arnaud
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11 Proyecto de Fin de Carrera
Funcionamiento nocturno durante el periodo de calefacción
Cuando no hay más cargas de calefacción instantáneas o cuando el sol no calienta más la
pared, los orificios están cerrados. El calor acumulado por el muro se transferencia durante varias
horas a dentro de la habitación por efecto de conducción a través del muro. Así pues, el muro
patrietodinamico (a la manera del muro Trombe durante el mismo periodo) funciona como un muro
solar:
Ecuaciones generales para el cálculo de la contribución bruta
Las ecuaciones generales que permiten de determinar el cálculo e contribución bruta (cálculo
de las perdidas y de las ganancias) de un muro parietodinamico son más o menos las mismas que las
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12 Proyecto de Fin de Carrera
utilizadas anteriormente para el muro Trombe. Solo los valores de los parámetros y varían lo que
influye después sobre algunas ecuaciones.
Calculo de las perdidas y de las ganancias en la cámara de aire
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚 = 𝑈𝑒 ∗ 𝐴 ∗ 𝐺𝐷
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚 = 𝐼𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝐴 ∗ 𝑔 ∗ ∗ 𝐹𝑠 ∗ 𝐹𝑓 ∗ 𝑅𝑒𝑖 + 𝑅𝑖 ∗ 𝑈𝑜
Estos valores nos permiten de calcular los números sin unidad siguiente que utilizaremos en
las formulas de las pérdidas y ganancias por ventilación:
𝛾𝑐𝑎 =𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎𝑠𝑐𝑎𝑚
= 1
= 1
Calculo de las perdidas :
𝑈𝑜 =1
𝑅𝑒+
1
𝑅𝑒𝑒+
1
𝑅𝑐+
1
𝑅𝑒𝑖+
1
𝑅𝑖 [𝑾 𝒎𝟐𝑲 ]
𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡 = −𝑈𝑜
𝑈𝑖∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾
𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑒𝑖 + 𝑅𝑖 ∗𝑈𝑜
𝑈𝑒
𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 =𝑈𝑜
𝑈𝑖 + 𝑈𝑒∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾
Entonces,
𝑈𝐴 = 𝐴𝑈𝑜 ∗ 𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡 ∗ 𝐴𝑈𝑉𝑒𝑛𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝑈𝐴 ∗ 𝐴𝑟𝑒𝑎 ∗ 𝐺𝐷 ∗24
1000 [𝒌𝑾𝒉]
Calculo de las ganancias : Área Solar
𝐴𝑠 = 𝑔 ∗ ∗ 𝐹𝑠 ∗ 𝐹𝑓 ∗ 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 ∗ 𝐴𝑣𝑒𝑛𝑡
Con,
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 ,0 + 𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑𝑉𝑒𝑛𝑡
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑 ,0 = 𝐴 ∗ 𝑈𝑜 ∗ 𝑅𝑎𝑏𝑠𝐸𝑥𝑡
Y por fin,
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13 Proyecto de Fin de Carrera
𝑅𝑎𝑏𝑠𝐸𝑥𝑡 = 𝑅𝑒 + 𝑅𝑒𝑒 + 𝑅𝑐𝑎
𝐴𝑐𝑜𝑛𝑑𝑉𝑒𝑛𝑡 = −𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 ∗𝑈𝑜
𝑈𝑒∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾
La expresión de Rvent es la misma que la utilizada para el cálculo de las perdidas:
𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑒𝑖 + 𝑅𝑖 ∗𝑈𝑜
𝑈𝑖
𝐴𝑣𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑣𝑒𝑛𝑡 ∗ ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝑉 ∗ 𝐾
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 = 𝐴𝑠 ∗ 𝐼𝑠𝑜𝑙 [𝒌𝑾𝒉]
Contribución bruta :
𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑖𝑏𝑏𝑟𝑢𝑡𝑎 = 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 − 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝐹𝑈 [𝒌𝑾𝒉]
ANTHOUARD Florence HILLON Arnaud
RAQUIN Thomas
14 Proyecto de Fin de Carrera
CONCLUSION
Este proyecto trata de un tema central en la problemática actual: el consumo de energía en
el edificio durante el periodo de invierno. En España las diferencias de severidad climática hacen que
existe diferencia grande de eficiencia entre las viviendas. Lo vemos bien con los ejemplos de Sevilla y
Brugos. Entonces cada zona no tienen los mismos niveles de expectación de aislamiento. Sin
embargo observamos que una calidad constructiva mínima es necesaria en toda la península. Por eso
existe la norma que da los cerramientos y huecos de transmitancia mínima para cada zona. Nuestra
herramienta informática permite de verificar que un edificio cumple o no la norma. Es el primer
paso. Lo interesante es que además tenemos el detalle de cada poste de consumición, con eso
podemos ver donde están los puntos débiles y fuertes de la casa. Para concentrar las inversiones en
material eficiente. La primera cosa que sale de este estudio es que hasta que las pérdidas no sean
controladas, no vale nada de añadir sistemas de recuperación de energía o cualquier elemento que
suele subir las ganancias térmicas del edificio. Una vez que la vivienda es normativa y que
consideramos las perdidas aceptable se puede tomar en cuenta el tema de las ganancias. Tratamos
de elementos pasivos que van a aumentar las ganancias aprovechando de energía gratuita e
ilimitada: la radiación solar. Según la orientación se puede aprovechar de los rayos de sol en invierno.
La orientación sur es la mejor para estos elementos tal el muro solar, trombe, pariétodinamico. En
invierno cuando el sol es bajo los royos tocan el vidrio del muro, utiliza el efecto invernadero en la
cámara de aire. En verano lo bueno es que se puede proteger el vidrio con un elemento de sombra o
una persiana. Con los sistemas de trombe y pariétodinamico una parte de las perdidas por el
cerramiento se recupera con el flujo de aire. Además, el pariétodinamico reduce la carga de
ventilación por la parte de aire exterior que pasa por la cámara de aire. Este último es muy
interesante porque además de tener la mejor eficiencia teórica puede cambiar se en fachada
ventilada en verano para bajar la temperatura interior. Tenemos que poner la atención sobre el
hecho que estos elementos necesitan una regulación y una calidad constructiva alta para conseguir a
bajar la demanda.
El sentido de este proyecto es mostrar cómo se baja la demanda energética según el tipo de
construcción y la localidad. Primer paso: bajar la transmitancia de los cerramientos y huecos.
Segundo: subir las ganancias gratuitas.
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