Se trata aquí de las relaciones del ser humano con el ... · Disipación del calor sobrante El cuerpo disipa el calor sobrante por la piel, órgano encargado de regular el intercambio,

Ambiente higrotérmico

Se trata aquí de las relaciones del ser humano con el clima, especialmente con el de los interiores de los edificios.

Los receptores del cuerpo humano perciben las características del ambiente de acuerdo con sus necesidades, por lo que hay que conocer esas necesidades.

Las necesidades son muy parecidas, pero no idénticas, en todos los seres humanos.

Energía térmica

En el sentido crematístico, la parte más importante de la climatización, es la energía térmica.

Para entender lo que sigue es conveniente dejar sentado que el frío no existe, únicamente hay mayor o menor nivel de calor, que se mide con la temperatura.

ambiente higrotérmico 2

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Demanda energética

cálculos

El ser humano

El cuerpo humano es una máquina que requiere energía, que obtiene de los alimentos.

Para un humano de unos 70 kg de masa y con una actividad normal (dieta de 2000 kcal/día o 8400 kJ/día), esa energía equivale a la que contiene poco menos de un cuarto de litro degasóleo (0,23 L).

Los alimento se “queman” en el organismo con el oxígeno del aire (respiración) y producen residuos, entre ellos, dióxido de carbono.

La energía se consume en el crecimiento, el movimiento y los procesos propios del cuerpo.

La energía residual, el calor, se utiliza para mantener el cuerpo a una temperatura determinada, la adecuada para los procesos antes descritos.

El cuerpo pierde (y necesita hacerlo) ese calor sobrante, intercambiando con el entorno (cediéndolo)


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El cuerpo humano

El cuerpo humano

Balance tBalance téérmicormico

El cuerpo intercambia calor con el entorno por cuatro procesos

Transmisión

Convección

Radiación

Evapotranspiración

Producción de calor = pérdidas por transmisión + pérdidas por convección + pérdidas por radiación + pérdidas por evapotranspiración

Si la producción de calor es mayor que las pérdidas, se siente calor. En caso contrario se siente frío.

Si la producción de calor se equilibra con las pérdidas se tiene el bienestar térmico

En los tres primeros procesos, el intercambio depende de la diferencia de temperatura entre la piel y el ambiente.


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El calor se trasmite entre dos cuerpos cuando uno de ellos está a mayor temperatura (mayor nivel térmico) que el otro.

y lo hace tanto más deprisa cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas

Formas de intercambio de calor

transmisión: es el intercambio de calor con los objetos con los que se está en contacto directo.

convección: es intercambio de calor mediante un fluido, que se calienta en contacto con la piel y disminuye su densidad, por lo que asciende sobre el resto de la masa de fluido de su entorno.

radiación: el calor se intercambia por radiación con los objetos del entorno.

evapotranspiración: pérdidas de calor por evaporación de la humedad de la piel o de la transpiración.

el resultado de los tres primeras puede ser positivo o negativo. Si entorno está a mayor temperatura que el cuerpo, este puede ganar demasiado calor (tener fiebre); el enfriamiento se confía entonces al cuarto proceso, que siempre da pérdidas.


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Intercambio de calor

Intercambio de calorambiente higrotérmico 6

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Demanda energética

cálculos Formas de intercambio de calor

evapotranspiración: pérdidas de calor por evaporación de la humedad de la piel o de la transpiración (2400 kJ/kg).La ingesta normal diaria está alrededor de 8000 kJ.

En una sustancia en estado sólido, la energía (calor) que se añade aumenta el movimiento de las moléculas dentro de su posición, lo que se manifiesta en un aumento de la temperatura.

Al llegar a cierto punto, temperatura de cambio de estado, las moléculas se independizan unas de otras, hasta cierto punto (pueden cambiar su posición relativa) y el sólido se funde. Para la “liberación” de las moléculas hace falta una cierta energía y, por lo tanto, hasta que todo el sólido se convierta en líquido, la temperatura no aumenta.

Cuando pasa de líquido a gas (vaporización) las moléculas se independizan unas de otras y ocurre lo mismo: no aumenta la temperatura con el aumento del calor.

Esta cantidad de energía (calor) se llama calor latente de cambio de estado.

Disipación del calor sobrante

El cuerpo disipa el calor sobrante por la piel, órgano encargado de regular el intercambio, para que la temperatura interna se mantenga constante a 36,5 ºC.

Si pierde demasiado, el riego perimetral disminuye, para disminuir la temperatura superficial de la piel. Si el frío es intenso, la piel puede perder el necesario riego y entonces muere: sabañones. Si es todavía mayor se necrosarán los órganos perimetrales: orejas, nariz, dedos… y se puede llegar a la muerte por congelación.

Si sobra calor, el riego aumenta, la piel enrojece: sofocos, e incluso cambia de color a otro más oscuro para poder reemitir después el calor adquirido. En el extremo se llega al “golpe de calor” con daños cerebrales que pueden llevar a la muerte.


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El cuerpo humano

Intercambio de calor

La producción de calor depende del tamaño y peso y de la actividad que se realiza: a mayor actividad, mayor producción de calor. También depende del sexo y de la edad.

El individuo también puede actuar en el proceso:

Si tiene frío, puede aumentar el movimiento o el abrigo.

Si, para la actividad que va a realizar, la ropa molesta y es necesario estar en reposo, se recurre a la calefacción

Si tiene calor se puede disminuir el movimiento o prescindir de ropa.

Si cuando hace calor, se debe llevar ropa (por decencia) y se debe realizar un cierto ejercicio, se recurre a la refrigeración.


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El cuerpo humano

• Los parámetros que definen la respuesta del cuerpo humano ante el clima son dos:

• La actividad o nivel metabólico, se mide con la producción de calor del cuerpo en una actividad determinada, es decir, la actividad del metabolismo. Se toma como unidad la cantidad de calor disipada por unidad de superficie de piel, por un individuo de unos 70 kg de peso, trabajando sentado y es igual a:

• 1 met = 58 W/m2

1,1...1-,3Delineación

1,1...1-,3Archivado

1,2...1-,4Mecanografía

Oficinas

2,0...3-,6Lavado, plancha

1,6...2-,0Cocina

Tareas domésticas

2,0Dependiente de comercio atendiendo público

2,4...4-,4Baile

3,8Caminar a 7 km/h

2,6Caminar a 5,5 km/h

2,0Caminar a 3,5 km/h

1,2En pie

1,0Sentado

0,8Reclinado

0,7Acostado

Valor metabólico (met)

Actividad

Niveles metabólicos (met) correspondientes a actividades típicas de las personas.


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El cuerpo humano

• El aislamiento térmico que se aplica al cuerpo, la indumentaria, se mide con el nivel de indumento

1 clo = 0,155 m2.K/W

2,0...2,5ropa de mucho abrigo para varón (como lo anterior con abrigo de lana)

1,5ídem más abrigado (terno de lana, lo demás como en el caso anterior)

1,0indumentaria típica de ejecutivo (traje, camisa de manga larga, corbata, ropa interior de algodón, calcetines y zapatos)

0,7...0,9conjunto femenino de estar en casa (falda, blusa y rebeca de manga larga, ropa interior normal, medias y zapatos)

0,5atuendo ligero de verano (pantalón largo, camisa o blusa de manga corta)

0,3...0,4conjunto de vacaciones (pantalón o falda cortos, camisa o blusa de manga corta y sandalias)

0,1pantalón corto

0,0desnudez

Índice (clo)Atuendo, calzado y tocado

Valores del índice de indumento (clo) correspondientes a distintas formas de vestirse


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El cuerpo humano

Corresponde ahora estudiar el ambiente en el que se mueve el cuerpo• Los parámetros a tener en cuenta son

– Temperatura– Radiación– Humedad del aire– Velocidad del aire

• Se miden:– Temperatura seca termómetro de mercurio– Temperatura radiante media termómetro de globo– Temperatura húmeda termómetro húmedo– Velocidad del aire anemómetro

Cada uno de estos parámetros influye en el bienestar térmico de las personas.


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El ambiente

• Humedad del aire– Es un parámetro muy importante: refleja la capacidad del aire ambiente para

“enfriar” el cuerpo humano por evapotranspiración.• El aire tiene una cierta capacidad para contener agua en forma de vapor, mayor

cantidad cuanto más alta sea su temperatura.• La cantidad de vapor se puede medir como:

– humedad absoluta (a): masa de vapor por unidad de volumen,– razón o relación de mezcla (w): masa de vapor por unidad de masa del aire seco– humedad específica (q): masa de vapor por unidad de masa de aire húmedo– humedad relativa: la que mejor representa la respuesta del cuerpo humano; es la

comparación entre la cantidad de vapor que contiene y la que podría contener a una determinada temperatura; se mide en porcentaje.

• Cuanto mas baja sea la humedad relativa, mayor capacidad de absorción de agua, luego mayor capacidad de “enfriamiento” del cuerpo por evapotranspiración.


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El ambiente

Grados día: Grados-día de un período determinado de tiempo es la suma, para todos los días de ese período de tiempo, de la diferencia entre una temperatura fija, o base de los grados-día, b, y la temperatura media del día, cuando esa temperatura media diaria sea inferior a la temperatura base, a.

normalmente, a = b (España 15/15, Alemania 18/18)


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El ambiente

Para comprender el efecto que, conjuntamente, varios de estos parámetros pueden producir en el cuerpo humano, se definen los llamados índices de comodidad (o de confort)

• Temperatura Operativa o equivalente (Tre).—Engloba Ts, Tr y va y puede expresarse por:

– Es aplicable a ambientes de invierno cuando la humedad queda dentro de valores aceptables.

– Es el Índice empleado por la normativa española vigente.– En condiciones de baja velocidad del aire y diferencias de temperatura pequeñas

entre la del aire y las de los elementos separadores, los coeficientes anteriores son casi iguales por lo que puede emplearse la expresión:

– Es aplicable a ambientes de invierno cuando quedan dentro de valores aceptables la humedad y la velocidad del aire.

Índices de comodidad (confort)

2rs

eq

TTT

+=

rdcv

rmrdscvre hh

ThThT

+⋅+⋅

=


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El ambiente


• Temperatura equivalente

– A partir de la segunda fórmula se obtiene esta gráfica


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• Temperatura Efectiva (Tef).—Engloba Ts, Te, Hr y va. Se obtiene empíricamente sobre el diagrama psicrométrico, con el inconveniente de no poder incorporar Tr, lo que exige emplear la Temperatura Equivalente o la Resultante como complemento.

– La Temperatura Efectiva resulta apropiada especialmente para definir las condiciones de los ambientes en la época estival.



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• Temperatura efectiva


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• Entalpia

• No es posible conocer la entalpía del aire, pero si se pueden conocer las diferencias de entalpías del el aire en condiciones distintas o, lo que es lo mismo, la diferencia de entalpía entre dos estados del aire.

Calor sensible

Calor latente


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•Satisfacción de los usuarios.Opinión media estimada: Se conoce por PMV, del inglés Predicted Mean Vote y en la normativa española Voto Medio Estimado. Se debe a Fanger el establecimiento de este índice, que refleja la opinión de un grupo numeroso de personas respecto de la sensación térmica percibida en un ambiente dado.

•Descontento de los usuariosPorcentaje estimado de insatisfechos: (PPD) (Predicted Percentage ofDissatisfied): proporciona datos sobre la incomodidad o insatisfacción térmica basándose en la estimación del porcentaje de personas susceptibles de sentir demasiado calor o demasiado frío en unas condiciones ambientales dadas


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Satisfacción de los usuarios

• Es imposible satisfacer térmicamente a todo el mundo. Por ello se establecen porcentajes de satisfacción que cubren áreas de los gráficos vistos hasta aquí, áreas tanto más pequeñas cuanto más se acerquen al 100%


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Objetivo• En los ambientes en que los parámetros no son adecuados para proporcionar comodidad o

“confort”, se recurre a la climatización: dar a los locales las condiciones requeridas para la actividad que se va a realizar en ellos.

Sistemas. Definir las instalaciones necesarias para cubrir las demanda.

• Instalaciones de climatización

• Ventilación

• Calefacción

• Refrigeración

• Dos de ellas (la ventilación siempre)

• Los tres

Climatizaciónambiente higrotérmico 21

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cálculos

– El primer paso consiste en determinar las necesidades de los locales para poder suplir las faltas de comodidad.

• Esta tarea se hace mediante un cálculo de la demanda térmica o carga térmica, que tiene dos vertientes:

– Cálculo de cargas en tiempo frío (cargas de calefacción)– Cálculo de cargas en tiempo cálido (cargas de refrigeración)

– El segundo paso es determinar las instalaciones capaces de suplir esas necesidades (instalaciones de climatización)


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Climatización

– El problema del futuro es el ahorro de energía, y lo exigen las regulaciones internacionales y nacionales, pero también los propios consumidores, por interés económico, lo piden cada día más

– ¿Cómo reducir el consumo?: los responsables somos nosotros, los arquitectos: si un edificio necesita N, el consumo de energía será N+R%, siendo R% el rendimiento del sistema y ahí es donde interviene el instalador. Como R está entre un 10…20%, poco puede hacer.

– Lo importante es reducir N, que depende del proyectista del edificio y si nosotros no nos ocupamos de ello, acabarán haciéndolo los ingenieros y nos desplazarán (como ya están haciéndolo). Es fundamental para el ahorro una concepción correcta del edificio.

– La demanda térmica o carga térmica, viene determinada por el modo en que esté construido el edificio, tanto por la forma, como por la constitución de sus separadores con el exterior o, incluso, por el entorno en que está situado.


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Climatización

– Le Corbusier dijo que la climatización de los edificios era una cuestión de los técnicos (los instaladores), pero entonces nadie se preocupaba por el precio de la energía (era barata) y menos aun por el problema de la contaminación ambiental o por el calentamiento global (que era inimaginable: la atmósfera se suponía un absorbedor infinito).

– Si alguien dice eso ahora está muy equivocado.


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Climatización

Absortividad: Fracción de la radiación solar incidente a una superficie que es absorbida por la misma. La absortividad va de 0,0 (0%) hasta 1,0 (100%).Bienestar térmico: Condiciones interiores de temperatura, humedad y velocidad del aire establecidas reglamentariamente que se considera que producen una sensación de bienestar adecuada y suficiente a sus ocupantes.Cerramiento: Elemento constructivo del edificio que lo separa del exterior, ya sea aire, terreno u otros edificios.Componentes de la envolvente del edificio: Se entienden por componentes los que separan el interior de ambientes que puedan tener condiciones higrotérmicas desfavorables: cerramientos, huecos y puentes térmicos.Condiciones higrotérmicas: Son las condiciones de temperatura seca y humedad relativa que prevalecen en los ambientes exterior e interior para el cálculo de las condensaciones intersticiales.Demanda energética: Es la energía necesaria para mantener en el interior del edificio unas condiciones de confort definidas reglamentariamente en función del uso del edificio y de la zona climática en la que se ubique. Se compone de la demanda energética de calefacción, correspondientes a los meses de la temporada de calefacción y de refrigeración respectivamente.

Terminología


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TerminologíaEmisividad: Capacidad relativa de una superficie para radiar calor. Los factores de emisividad van de 0,0 (0%) hasta 1,0 (100%).

Envolvente edificatoria: Se compone de todos los cerramientos del edificio.

Envolvente térmica: Se compone de los cerramientos del edificio que separan los recintos habitables del ambiente exterior y las particiones interiores que separan los recintos habitables de los no habitables que a su vez estén en contacto con el ambiente exterior.

Espacio habitable no habitable:.

Espacio habitable de baja carga interna: Espacio donde se disipa poco calor. Comprende principalmente los recintos destinados a residir en ellos, con carácter eventual o permanente.

Espacio calefactado / no calefactado


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Terminología

Factor de sombra: Es la fracción de la radiación incidente en un hueco que no es bloqueada por la presencia de obstáculos de fachada tales como retranqueos, voladizos, toldos, salientes laterales u otros.Factor de temperatura de la superficie interior: Es el cociente entre la diferencia de temperatura superficial interior y la del ambiente exterior y la diferencia de temperatura del ambiente interior y exterior.Factor solar: Es el cociente entre la radiación solar a incidencia normal que se introduce en el edificio a través del acristalamiento y la que se introduciría si el acristalamiento se sustituyese por un cerramiento perfectamente transparente.Factor solar modificado: Producto del factor solar por el factor de sombra.Grados-día: Grados-día de un período determinado de tiempo es la suma, para todos los días de ese período de tiempo, de la diferencia entre una temperatura fija, o base de los grados-día, y la temperatura media del día, cuando esa temperatura media diaria sea inferior a la temperatura base.


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Terminología

Partición interior: Elemento constructivo del edificio que divide su interior en recintos independientes. Pueden ser verticales u horizontales (suelos y techos).

Permeabilidad al aire: Es la propiedad de una ventana o puerta de dejar pasar el aire cuando se encuentra sometida a una presión diferencial. La permeabilidad al aire se caracteriza por la capacidad de paso del aire, expresada en m3/h, en función de la diferencia de presiones.

Permeabilidad al vapor de agua: Es la cantidad de vapor que pasa a través de la unidad de superficie de material de espesor unidad cuando la diferencia de presión de vapor entre sus caras es la unidad.

Porcentaje de huecos: Fracción del área total de la fachada ocupada por los huecos de la misma, expresada en porcentaje.

Puente térmico: Se consideran puentes térmicos las zonas de la envolvente del edificio en las que se evidencia una variación de la uniformidad de la construcción, ya sea por un cambio del espesor del cerramiento, de los materiales empleados, por penetración de elementos constructivos con diferente conductividad, etc., lo que conlleva necesariamente una minoración de la resistencia térmica respecto al resto de los cerramientos


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Expresión del consumo energético:

eficiencia energética consumo


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reducción del consumo: demanda

Índice de forma o superficie específica :Cuando las condiciones climáticas exteriores son distintas de las deseables en

el interior de los edificios, deben reducirse los intercambios de calor por transmisión en régimen estacionario, en el sistema edificio-entorno.

Si se tiene en cuenta que en la edificación se trata de conservar la energía térmica en el interior y que las pérdidas por transmisión se producen por la envolvente, la relación entre superficie que pierde energía y el volumen en que debe conservarse, es un índice de su funcionamiento térmico.


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Índice de forma o superficie específica:El índice de forma dice que cada metro cúbico de volumen calefactado tiene SEmetros cuadrados de superficie de pérdida de calor.Cuantos menos superficie específica tenga, menos pierde por unidad de volumen.

V

SSE =

SE superficie específica (m-1),S superficie envolvente, (m2),V volumen contenido por la superficie, (m3).


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exposición, abrigoEs muy importante considerar la exposición de los edificios a los elementos meteorológicos.Si están abrigados consumen menosSi están expuestos consumen más (o necesitan mucho mas aislamiento).

abrigadosexpuestos

Concepto de ciudad


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Abrigo, exposición

por el terreno

también influyen otros obstáculos como tapias, bosques,..

por el entorno urbano



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Adaptación al clima

• La normativa actual tiene en cuenta un problema muy importante: la relación vano-hueco e incluso la posición de los vidrios respecto a los haces.

• Y tiene importancia en dos aspectos:

• El cerramiento de huecos es más débil como aislamiento térmico

• El vidrio es una ventaja si recibe sol en época fría y un problema en época calida. Hay que saber si lo dominante en la zona es el frío o el calor

• Y en nuestro clima es el calor.



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• Hace siglos llegó una arquitectura de países fríos con gran cantidad de vidrio: el gótico



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• En nuestros climas se hicieron ventanas más pequeñas y cubiertas menos inclinadas: no hay nieve.

• (y más racionales: la inclinación requiere estructuras de madera añadidas)



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reducción del consumo: rendimiento

aumento del rendimiento en sistemas convencionales:• factor de escala:


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reducción del consumo:aumento del rendimiento en sistemas convencionales:

• factor de escala:

sistemas de producción:•unitarios•centralizados:

•Individuales•Colectivos ESCALA: edificio – barrio - urbana


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reducción del consumo:

aumento del rendimiento en sistemas convencionales:• factor de escala:

• Consideraciones energéticas– Mejora en el rendimiento energético entre el 30%-40%.– Perdidas en temperatura despreciables. Sistema muy fiable.

• Consideraciones medioambientales– Reducciones de CO2 de hasta el 40%– Reducciones sustanciales de otros agentes contaminantes:

NOx, hollines, y las que se producen se pueden alejar de los espacios habitados y/o controlar o tratar más económicamente.

• Consideraciones económicas– Mas del 60% de las calefacciones del norte europeo son

centralizadas urbanas.– Inversión a cargo de los Operadores. Pueden ser

cooperativas, entidades Municipales etc.– Sustancial ahorro para los usuarios. Se paga lo que se

consume.

• Otras – ventajas estéticas (no hay conductos ni elementos de

fachada)– ventajas de seguridad. No se almacena combustible en el

edificio (Responsabilidad legal de uso y mantenimiento)– Menor mantenimiento más regular y normalizado.


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¿porqué demandan energía los edificios?

Los flujos de calor no conducen de manera espontánea a una situación de confort


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Por los vanos acristaladosb) Una ventana es el lugar más peligroso para la entrada de calor.

• Se forma el llamado efecto invernadero;• Contra él no valen aislamientos: el problema es que el sol no pase por el

vidrioSoluciones contra el calor

• Menor cantidad de vidrio• Vidrio sombreado desde el exterior (incluyendo su posición a haces

interiores).• Ventilar por la parte de arriba

Soluciones contra el fríoLas contrarias

¿Por donde pierden o ganan energía los edificios?


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EN INVIERNO: DEMANDA = PERDIDAS – GANANCIAS

ESTRATEGIA:

•limitar perdidas aislamiento

•promover ganancias acceso solar, inercia

EN VERANO: DEMANDA = GANANCIAS - PERDIDAS

ESTRATEGIA:

•limitar ganancias control solar, modulación

•promover perdidas ventilación (Tª ext. Noct.)

inviernoTemperaturas de consigna

Temperaturas de consigna

estrategia para la reducción de la demanda


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