ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO TERMO ENERGÉTIC O DE LAS ENVOLVENTES DEL EDIFICIO O FAUD UNC A TRAVÉS DE TER MOGRAFÍA Y

THERM EN EL SOLSTICIO DE INVIERNO .

Sánchez G., Calvo L., Ávalos S., Gatani M. Facultad de Arquitectura, Urbanismo y Diseño, UNC. Av. Vélez Sarsfield 264 – Córdoba

Mail: mgatani@hotmail.com

Recibido 20/08/18, aceptado 28/09/18

RESUMEN: El presente artículo es emergente del proyecto de investigación SECyT 2016-2017 titulado “Evaluación energética de edificios institucionales. Simulaciones, monitoreo y cálculo de cargas térmicas, demandas y consumos”; caso de estudio edificio ampliación oeste de la FAUD, UNC en el cual se registraron mediciones de temperatura y humedad con sensores Hobos Datta Loger (HDL) en todas las estaciones del año 2017. Además, fueron analizadas las protecciones e incidencias solares con el software Ecotect analysis y cargas de calefacción, refrigeración y demanda energética con el software Design Builder. En el nuevo periodo de investigación, con el objetivo de completar el estudio, se prosiguió con la evaluación de las envolventes durante el solsticio de invierno, a través de un análisis cualitativo termografico infrarrojo general y de un análisis más detallado de los puentes térmicos con el software Therm 7.6. La termografía arrojó diferencias de temperatura superficial entre distintos elementos de la envolvente. Se detectaron pérdidas de energía en zonas críticas, como marcos, antepechos, cierre entre aberturas y superficies frías, las cuales se incrementan cuanto mayor es la superficie vidriada. El análisis con Therm indicó la existencia de puentes térmicos en los nervios de losas casetonadas de hormigón, y en encuentros entre antepechos y pisos de hormigón con marcos de aluminio. Todos los resultados del Therm confirmaron los obtenidos en la evaluación termográfica, por lo que se los considera estudios complementarios. La detección de las pérdidas energéticas mediante la tecnología infrarroja y el estudio de encuentros defectuosos mediante el software Therm 7.6 posibilitará optimizar la eficiencia energética subsanando esas deficiencias. Palabras clave: Termografía, envolventes, simulación, puentes térmicos.

INTRODUCCIÓN La termografía infrarroja es una técnica no invasiva ideal para verificar el estado de aislaciones y puentes térmicos de la envolvente, permitiendo determinar la distribución superficial de la temperatura del área a analizar y detectar diferencias de temperatura entre elementos que pertenecen a un mismo cerramiento (Flores Larsen y Hongn, 2012). Todos los materiales con temperaturas mayores al cero absoluto emiten energía en forma de radiación, modelizada por la ley de Planck. La radiación infrarroja está comprendida en la banda entre 0.75µm a 1000µm. Las cámaras termográficas trabajan usualmente en dos bandas: de 2 a 5.6µm y de 8 a 14µm, las cuales se eligen porque la absorción atmosférica en estas longitudes de onda es menor (Flores Larsen y Hongn, 2012). La termografía permite transformar la radiación térmica emitida por un cuerpo en una imagen visible. Las imágenes captadas indican y representan en escala de colores la temperatura superficial de los objetos observados, y por lo tanto, podrán mostrar las irregularidades térmicas debido a defectos del aislamiento, humedades, puentes térmicos, fugas de aire, entre otros (Sanglier, 2003). El software Therm 7.6, incorpora un modelo bidimensional de transferencia de calor, se grafican los detalles a analizar. Se asignan los materiales y se definen las condiciones de contorno, para todas las superficies en el perímetro de los detalles constructivos de las envolventes, estas son diferentes para las superficies en el interior y el exterior de la sección transversal. Las superficies que se supone que no tienen transferencia de calor son condiciones de frontera adiabáticas asignadas. Según la Norma

ASADES Acta de la XLI Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 6, pp. 01.201-01.212, 2018. Impreso en la Argentina. ISBN 978-987-29873-1-2

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IRAM 11605 (1996) la transmitancia térmica correspondiente a un puente térmico, Kpt, no debe ser mayor que el 50% del valor de la transmitancia térmica del muro opaco, Kmo, o sea: kpt/kmo ≤ 1.5. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Ante un contexto mundial de contaminación, impactos ambientales negativos y crisis energética, es necesario actuar bajo las premisas de eficiencia energética, manteniendo o mejorando el nivel de satisfacción de los servicios energéticos disminuyendo el consumo de energía, y logrando una mejor asignación de los recursos energéticos (Ávalos et. al, 2016). En la ciudad de Córdoba, los edificios públicos representan un potencial de ahorro de energía equiparable en determinados casos al del sector comercial, que representó el 39,74% del consumo facturado en Córdoba durante el año 2010 (Ferrari y Frezzi, 2013), por lo que contribuir al estudio de esta tipología de edificios resulta de gran importancia. Los edificios pertenecientes a la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) son de uso masivo e intensivo durante gran parte del año, salvo durante el receso de invierno y el de verano. Por esta razón, las pautas para mejorar la eficiencia térmico- energética y el ahorro de energía se presentan como una necesidad actual. CLIMA El edificio se ubica en la ciudad de Córdoba capital (Lat.: 31°26 Sur), provincia de Córdoba. Posee un clima templado moderado, con cuatro estaciones bien marcadas con diferencias estacionales: cálida húmeda en verano y fría en invierno. Por esta razón no se puede pensar la envolvente como un problema uniforme, la solución adecuada para una estación no resulta para la otra. Según la distinción de zonas bioambientales establecidas por la Norma IRAM 11.603 (2011), la ciudad de Córdoba se inscribe en la Zona IIIa: templada cálida. En esta zona se observan inviernos relativamente benignos, con veranos calurosos y amplitudes térmicas mayores a 14 °C (Norma IRAM 11603, 2011).

Tabla 1: promedios mensuales de variaciones climatológicas (1991-2000)

DESCRIPCION CASO DE ESTUDIO El edificio ampliación oeste de la FAUD, UNC está destinado a alojar aulas-taller, secretarías, bar-cantina con expansión hacia terraza y núcleo sanitario. El programa se organiza en un prisma de base rectangular con eje norte-sur y orientación este-oeste, en 3 niveles. La planta baja contiene 3 aulas-taller y núcleo sanitario, ambos orientados hacia el oeste, 8 boxes y el núcleo de circulación hacia el este (Figura 1). En el primer piso se dispone la Secretaría Académica, con orientación este, y en segundo piso un bar-cantina y acceso al área de expansión al oeste (Figura 1). El volumen del edificio es de 5.242,33 m3 y el área total en planta 2.975,80 m2 cubiertos y de la envolvente 1.667,10 m2, de los cuales 369,6 m2 corresponden a la envolvente este y 319,2 m2 a la oeste.

El sistema constructivo utilizado se conforma en su totalidad por tabiques y vigas de hormigón armado a la vista, moldeados in-situ. Todos los muros exteriores son de 0,20 m de espesor de hormigón armado, sin aislaciones. Tanto las divisiones interiores entre locales como los cielorrasos fueron ejecutados con paneles de doble placa de yeso-cartón con perfilería metálica, sin aislación térmica ni acústica. Las características constructivas definen un edificio con inercia térmica debido a que la masa edificada no puede disipar el aporte diurno, fundamentalmente vespertino, de la envolvente exterior.

El edificio presenta condiciones de diseño diferentes para los locales ubicados en planta baja y planta alta. Los primeros son tres grandes aulas que se encuentran semi-enterradas y protegidos con parasoles de hormigón de un ángulo de 30° respecto de la normal, hacia el sur-oeste. La planta alta está destinada a bar-cantina, cuya envolvente oeste la conforman grandes superficies vidriadas de vidrio laminado 3-+3, de 2,60 m de altura. Una pantalla vertical de hormigón colgada a la altura del cielorraso de 1,45 m,

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separada de la línea de fachada 1,42 m, conforma el marco superior. La fachada este del edificio está conformada por paños de vidrio laminado float 3+3 completos de piso a techo enmarcados por una cuadrícula de hormigón, que alberga los tres niveles, boxes PB, secretaria académica primer piso y cantina el segundo piso, el sector de PB y primer piso cuentan con una lámina plástica micro-perforada, que sirve como tamiz de luz y protección visual.

Figura 1: Ubicación del edificio oeste y planos técnicos de la FAUD, UNC. .

Actualmente, el edificio cuenta con instalación de radiadores en todos los locales, aunque se encuentran fuera de funcionamiento. El acondicionamiento de los locales de las áreas institucionales (Secretaría Académica – entrepiso fachada este – y boxes – planta baja, fachada este) se realiza con equipos individuales de Aire Acondicionado Split frío-calor. DESCRIPCION DE LAS ENVOLVENTES Las envolventes verticales se conforman predominantemente con vidrio. Las relaciones opaco transparente se muestran a continuación en la figura 2.

Figura 2: Porcentajes de opaco-vidrio-enterrado en las envolventes verticales del edificio.

Fachada oeste PA: 95.84% sup vidriada vs. 4.16 % superficie opaca Relación 1 vidriado – 0.043 opaco

PB: 49% sup vidr. vs. 37% enterrada y 14% de H° Relación: 1 vidriado - 0.75 enterrado - 0.20 opaco Fachada este 82.4 % sup vidriada vs. 17.6 % superficie opaca Relación: 1 vidriado – 0.21 opaco En las figuras 3 y 4 se muestran las fachadas este y oeste, y se resaltan los sectores fotografiados con la cámara termográfica.

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Figura 3: Fachada oeste.

Figura 4: Fachada este.

En la fachada oeste, dos resoluciones han sido adoptadas. En planta alta, se dispone un muro de hormigón armado, y aventanamientos de aluminio con vidrio float 3+3 y cuenta con un parasol vertical de hormigón en el sector superior de la ventana (figura 5).

Figura 5: Envolventes: aventanamientos, superficies vidriadas y protecciones de la fachada en

planta alta orientación oeste. Mientras que en la misma orientación en planta baja la situación es diferente. Se semientierra 1,50 m y el resto de la altura de la envolvente es vidriada (DVH 3+12+3), protegida con parasoles verticales de H°A°, inclinados según muestra la figura 6.

Sector 3

Sector 1 Sector 2

Sector 4

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Figura 6: Envolventes: Aventanamientos, superficies vidriadas y protecciones en PB –oeste. METODOLOGÍA El objetivo del estudio fue realizar un análisis cualitativo de las envolventes mediante imágenes termograficas y análisis de puentes térmicos.

Se utilizó una cámara termográfica Testo 875 – 1i < 50 mK para tomar mediciones infrarrojas de los sectores de interés. Los termogramas fueron procesados mediante el software IRSoft, con método de comprobación simplificada según EN 13187. Esto permitió conocer las temperaturas superficiales de distintos componentes que conforman la envolvente.

Las mediciones fueron tomadas el 21 de junio de 2018 (solsticio de invierno) en la fachada oeste y este del edificio estudiado. A su vez se fotografió con cámara digital el mismo sector, para constatar el estado de los distintos componentes del sistema constructivo, carpinterías y superficies vidriadas.

La temperatura exterior, según datos obtenidos de la Estación meteorológica del CIAL ubicada a 500 metros del edificio fue de 13ºC y 56% de humedad relativa. La temperatura interior fue de 17°C, obtenida por sensores HDL. La evaluación se realizó en el horario en que las fachadas no reciben radiación directa, teniendo en cuenta pautas para mediciones termografías en edificios (Filippin y Flores Larsen, 2017). Se registraron a primera hora de la mañana sobre superficies no expuestas a la radiación solar directa ni reflejada, con el objetivo de evitar elementos calientes en el entorno, con bajas velocidades de viento, sin lluvia ni humo o smog. Por esta razón, la toma de las imágenes térmicas de ambas envolventes se efectuaron entre las 7:00 y 8:00 a.m. Para completar el registro termográfico, se estudiaron los puentes térmicos utilizando el software THERM 7.6. Se analizó la transferencia de calor a través de las envolventes en los encuentros entre muro y techo. Las condiciones de contorno fueron determinadas utilizando la opción simplificada que ofrece el software. Los datos de temperatura interior (18°C) y exterior (13°C) que definieron las condiciones de contorno fueron obtenidos mediante mediciones realizadas con sensores HDL y Estación Metereológica. RESULTADOS EVALUACIÓN TERMOGRÁFICA Los resultados de la termografía muestran un rango de temperaturas de los diferentes elementos que forman la envolvente externa oeste de planta baja que varía entre 13,9ºC y 15,1ºC, correspondientes a las temperaturas en un mismo plano. Las temperaturas más bajas corresponden al parasol de hormigón externo (M4: 12°C) separado de dicho plano y el antepecho de hormigón (M3: 12,7°C) que tiene contacto lineal con las ventanas corredizas. Las temperaturas más altas corresponden al encuentro entre marco fijo de aluminio y marco de la ventana corrediza (M7: 15,1ºC), lo que da cuenta de la mayor pérdida de calor hacia el exterior. Las otras temperaturas superficiales presentan una escasa diferencia y corresponden secuencialmente de menor a mayor, al DVH de aire 3+12+3 (M1:13,8ºC en la zona más protegida y M5:14,2ºC en la zona media), al panel de H° sobre ventana (M6:13,9ºC) valor muy cercano a las temperatura superficial del sector vidriado y el marco de aluminio (M2:14,7 ºC). Se evidencia la escasa diferencia de temperatura entre los elementos que conforman el plano de la envolvente, y una diferencia de 2°C entre dos elementos que se encuentran en contacto lineal,

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antepecho y marco. A continuación, se presentan los resultados alcanzados con el registro termográfico (fig. 7 y Tabla 2).

Fig. 7: Sector 1 en fig.3: Fachada oeste. Tomas con cámara termográfica y digital 21/06 08:15 am. Parámetros de la imagen: grado de emisividad 0,90 y temp. Reflect. (°C) 22.

Tabla 2: Informe termográfico

La termografía captada en el interior del taller de PB muestra como resultado tres puntos de muy similar temperatura en el cielorraso (M1:17°C), en la cortina Black-out (M2:17°C) y en el panel de hormigón enterrado (M7:17,1°C), en este último elemento se observa una diferencia de temperatura de 1,20 ºC entre el sector del paramento enterrado y el sector expuesto (M5: 15,9°C) que forma el antepecho. El vidrio y el marco se encuentran a distinta temperatura M3:16,70 ºC y M4:15,60 ºC respectivamente. El riesgo de condensación de humedad se incrementa con la presencia de puentes térmicos tanto geométricos como constructivos, que provocan áreas de menor temperatura superficial interior que el resto de la envolvente (Azqueta, 2014) como se observa en la figura 8 (fotografía esquina inferior).

Figura 8: interiores Taller A PB (Sector 2 en fig. 3) tomas con cámara termográfica y cámara

digital. Patología detectada en encuentro de muros esquina inferior. Tabla 3: Informe termográfico.

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Figura 9: Zoom de abertura de sector 3 PB, toma termográfica de abertura oeste.

La termografía interior arrojó diferencias de temperatura superficial dentro de un mismo elemento constructivo entre 1,2ºC y 2ºC y entre distintos elementos de la envolvente. Entre el hormigón, marco de aluminio y vidrio la diferencia es aún mayor, lo que implica pérdidas de energía en zonas críticas, como marcos, antepechos, cierre entre aberturas y superficies frías. En estos sectores es muy probable que se produzca condensación superficial teniendo en cuenta la temperatura interior y la generación de calor de un aula ocupada con alta densidad de alumnos (figura 9).

Figura 10: Sector 3 en fig. 3 toma con cámara termográfica y cámara digital de terraza fachada

oeste y datos de registro termográfico. Tabla 4: Informe termográfico.

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El sector analizado es el encuentro de la terraza orientada hacia el oeste con el paramento. Se organiza en dos partes, inferior compuesto por una abertura continua de vidrio cubierta con una chapa perforada que conforma la lucera del pasillo central, y superior aberturas de piso a techo de aluminio. La mayor temperatura se observa en el ventiluz 8,50ºC (M10) lo que indica una pérdida del aire caliente del pasillo; el marco de aluminio de la abertura superior refleja una medición de 5,5°C (M3) mientras que el área central del paño vidriado registra una temperatura entre 3,4°C (M2) y 2,8°C (M8). Las mayores pérdidas se observan en el vidrio inferior y en el marco de aluminio (figura 10).

Figura 11: Sector 4 en figura 4: toma con cámara termográfica y digital, y datos de registro termográfico fachada este.

Tabla 5: Informe termográfico.

La termografía de la envolvente este (figura 11) demuestra que la mayor temperatura se presenta en el marco de aluminio y el vidrio en contacto con el marco 9,30ºC (M2), evidenciando las mayores pérdidas. En la superficie vidriada se registra una temperatura de 7,30ºC (M3), 2,00ºC menor que en el marco. La cuadricula de hormigón tiene temperaturas entre 4,50 (M4) y 5,70ºC (M5), alrededor de 4,00 ºC menos que en los marcos de aluminio. Dentro de la superficie vidriada observamos diferencias de temperaturas entre el sector inferior y el cercano al cielorraso, mostrando mayores pérdidas en este último. ANALISIS DE PUENTES TERMICOS. Por último, se estudiaron encuentros que fueron considerados vulnerables o propensos para la aparición de puentes térmicos. La figura 12 muestra el primer encuentro evaluado, la unión entre la envolvente vertical oeste y la losa con cubierta transitable. A la izquierda se muestra el detalle constructivo con los materiales utilizados, y a la derecha el grafico obtenido del software THERM 7.6, que muestra cómo se transfiere el calor. La envolvente vertical está constituida por 20 cm de HºAº sin aislación. La losa es de HºAº casetonada con molones de poliestireno expandido, sobre la que se ejecuta una cubierta con barrera cortavapor, mortero alivianado para pendiente, carpeta de asiento y baldosas cementicias transitables.

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Fig. 12: Estudio de puente térmico unión envolvente vertical oeste y losa de cubierta transitable.

En el punto señalado de la figura derecha se puede ver claramente como los nervios de H°A° son puentes térmicos bien marcados, debido a que presentan un coeficiente de transmitancia térmica más elevado que el de los molones de poliestireno expandido. De esta manera, la superficie del nervio está a menor temperatura que la superficie del molón, lo que podría ocasionar problemas de condensación superficial. El segundo encuentro evaluado corresponde a la unión de la envolvente vertical oeste y el piso (figura 13). Está compuesta por el tabique semienterrado de HºAº de 20 cm que fue evaluado anteriormente en la termografía. Se puede observar cómo el calor se pierde a través del tabique ya que no hay ningún elemento aislante. La tierra retarda el paso del calor, sin embargo no representa una aislación suficiente. Como consecuencia, la temperatura superficial de la cara interior del tabique va disminuyendo en sentido vertical, desde el piso hacia la ventana. El sector señalado corresponde al punto de la envolvente con mayor pérdida térmica, lo cual confirma los resultados de la termografía.

Figura 13: puente térmico del sector del encuentro de la envolvente vertical oeste y el piso.

La figura 14 muestra el tercer encuentro evaluado: la unión entre la envolvente vertical este y la losa con cubierta no transitable. La losa es de HºAº nervurada, sobre la que se ejecuta una cubierta con barrera cortavapor, mortero alivianado para pendiente, carpeta de asiento y baldosas cementicias transitables sin aislación térmica. Nuevamente se confirma la información develada por la termografía, ya que el punto más vulnerable de la envolvente es el marco de aluminio de la abertura. Se observa una disminución de temperatura en el ángulo señalado.

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Figura 14: puente térmico de unión entre envolvente vertical este y losa cubierta no transitable.

Por último, se analizó el encuentro entre la envolvente vertical este y el piso (figura 15). Se puede observar la continuidad del contrapiso armado que configura una vereda perimetral exterior. No se preveen aislaciones que interrumpan la transferencia del calor, por lo que el contrapiso armado representa otro puente térmico. Nuevamente, el punto más crítico es el ángulo entre el piso y el marco de aluminio de la abertura, señalado en el gráfico de la derecha.

Figura 15: Estudio de puente térmico con Therm encuentro entre envolvente vertical este y piso.

CONCLUSIONES En las imágenes termográficas se observan pérdidas de calor principalmente en las superficies vidriadas y marcos de aluminio de las aberturas que conforman prácticamente la totalidad de la envolvente externa este completa y oeste en planta alta. No se siguieron los criterios bioclimáticos planteados en la norma IRAM 11659-2, el cual tiene su fundamento en un modelo de distribución de los vidriados por orientación según los criterios planteados en la misma (IRAM 11603 inciso 6.2) donde el área vidriada recomendada varía entre un 20 a un 50% del total de la superficie de la envolvente y en este caso alcanza la superficie vidriada un porcentaje del 55% de la superficie de la envolvente total del edificio, mayoritariamente orientada hacia el este y oeste como se observa en la tabla 6.

Tabla 6: Superficies vidriadas según Norma IRAM 11659-2 y condición relevada Según Norma IRAM 11659-2 Condición relevada No se admiten vidriados en techos No hay vidrio en techos 40% del área vidriada al norte 6,30% al norte 25% del área vidriada al este 55.82% al este 25% del área vidriada al oeste 33,80% al oeste 10% al sur 3,80% al sur

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Al comparar las temperaturas superficiales de los elementos que conforman las envolventes este y oeste se observan menores temperaturas en cada uno de ellos en los orientados al este y al oeste en planta alta, con respecto a los elementos de la envolvente oeste en planta baja. La fachada este está expuesta a las condiciones ambientales externas sin ningún tipo de protección conformada con paños vidriados laminados 3+3, mientras que los elementos de la fachada oeste se encuentran protegidos con parasoles de hormigón y paños vidriados con DVH de 3+3 con 12 mm de cámara de aire dando cuenta que los elementos macizos frente a la superficies vidriadas generan tapón térmico beneficioso en el periodo frío. Las diferencias de K (transmitancias térmicas de los elementos que conforman las envolventes) se evidencian en las diferentes temperaturas observadas mediante el analisis termografico y se muestran en la Tabla 7. Según lo analizado en la termografía, la envolvente compuesta por DVH (3+12+3) con marco de aluminio y panel de hormigón, las temperaturas superficiales son similares (0,3°C de diferencia). Mientras que la envolvente compuesta por vidrio 3+3 y hormigón visto la diferencia es mayor en el sector vidriado, acusando una diferencia de hasta 2,5°C. Tabla 7: Coeficientes de transmitancia térmica (K) de carpinterías y paramentos de hormigón.

Carpintería Aluminio DVH 3+3+12

Carpinteria aluminio vidrio Float 3+3

Paramento Hº Visto Paramento Hº enterrado

K= 2.80 W/m2 K K= 5.70 W/m2K K= 2,88 W/m2K K= 1,84 W/m2K El estudio detallado de los puentes térmicos añade información a la evaluación visual y a las imágenes termográfícas (Figura 16). A partir de este estudio se propondrán mejoras con el objetivo de optimizar la eficiencia energética del edificio.

Inspección visual Termograma Puente térmico

Figura 16: Información de cada abordaje.

BIBLIOGRAFÍA

Azqueta, P. (2014). Manual práctico del aislamiento térmico en la construcción EPS. C. Ferrari; P. Frezzi. (2013). Modelo de crecimiento del sistema eléctrico de la Provincia de Córdoba. Periodo 2010-2014. .

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ABSTRACT This article is emerging from the research project SECyT 2016-2017 entitled "Energy evaluation of institutional buildings. Simulations, monitoring and calculation of thermal loads, demands and consumption "; case study west extension building of the FAUD, UNC in which temperature and humidity measurements were recorded with Hobos Datta Loger (HDL) sensors in all seasons of 2017. In addition, solar protections and incidents were analyzed with Ecotect software analysis and loads of heating, cooling and energy demand with the Design

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Builder software. In the new research period, with the aim of completing the study, we continued with the assessment of the envelopes during the winter solstice, through a qualitative thermographic infrared general analysis and a more detailed analysis of the thermal bridges with the Therm software 7.6. The thermography showed differences in surface temperature between different elements of the envelope. Energy losses were detected in critical areas, such as frames, parapets, closing between openings and cold surfaces, which increase the greater the glazed surface. The analysis with Therm indicated the existence of thermal bridges in the slabs of concrete slabs, and in meetings between parapets and concrete floors with aluminum frames. All Therm results confirmed those obtained in the thermographic evaluation, which is why they are considered complementary studies. The detection of energy losses through infrared technology and the study of faulty encounters using the Therm 7.6 software will make it possible to optimize energy efficiency by correcting these deficiencies. Keywords: Thermography, envelopes, simulation, thermal bridge.

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