Improving energy efficiency in residential buildings by means of envelope design and installation of biomass boilers

Zusammenfassung

The building sector is one of the main responsible for primary energy consumption in Europe. Consequently, energy certification of buildings is being promoted under the policy to monitor and reduce energy consumption. By means of the Energy Performance of Buildings Directives (EPBDs), the legislative framework for all members of the European Union has been created and certification has become compulsory in all Member States. The primary aim of this energy framework is saving final energy and in consequence any related parameter such as primary energy, CO2 emissions or energy costs, without compromising comfort or productivity. In this context, adequate energy efficiency in any residential building calls for a number of factors to be taken into account as specified in the energy certification of buildings under EPBDs. In particular, the heating systems are essential to optimize the use of energy and also in reducing its cost and the environmental impact caused; in this sense the use of renewable energy sources is an interesting alternative to fossil fuels, particularly biomass, however its use in Spain is not enough widespread. However, building envelopes are the part of the buildings most exposed to the inclement weather and thus have significant impact on the energy performance as a consequence of higher thermal transfers produced. Among the possible energy-savings solutions the most effective are not only those related to the construction design but also those that consider constructive materials with low thermal transmittance. Finally, the accuracy in assigning a climatic zone to a city is essential for studying the correct sizing of domestic hot water, heating, and cooling systems, as well as of construction materials. In Spain, the current system for allocating climate zones is one proposed by the Código Técnico de la Edificación (CTE) (Technical Building Code); however the climatic data of cities is not always available, so the CTE method has proposed some solutions, but they are not always precise enough. In consequence the objective of this thesis has been the analysis of these factors affecting energy efficiency in residential buildings to improve energy rating and, in consequence, reduce fossil fuel consumption as well as environmental impact. The results have shown the important contribution of a renewable energy source like biomass to lead to a reduction in the environmental footprint. Furthermore, these underline the influence of the climate in reducing CO2 emissions and economic costs, up to 95% and 88% respectively, and improving the energy rating of buildings; just like these can be reduced when constructive solutions with low U-values are implemented in the envelope, achieving values between 65% and 95%, according to the solution adopted. These reductions make also possible the enhancement of the energy rating of the buildings. Finally the results of a proposed method based on approximation and interpolation functions to determinate the climatic zone are closer to reality that the CTE method. The new classification have been validated in areas with available climatic data of Andalusian municipalities. Although the use of this method could be extrapolated to other areas, due to the use of latitude, altitude, and longitude data is enough to calculate a good approximation. El sector de la edificación es uno de los principales responsables del consumo de energía primaria en Europa. En consecuencia, la certificación energética de los edificios está siendo regulada para controlar y reducir el consumo de energía. A partir de la aprobación de las Directivas Europeas, Energy Performance of Buildings Directives (EPBDs), se ha creado el marco legislativo para todos los miembros de la Unión Europea y la certificación se ha convertido en obligatoria en todos los Estados miembros. El objetivo principal de este marco legislativo es el ahorro de energía final y, en consecuencia, cualquier parámetro relacionado como energía primaria, emisiones de CO2 o los costos de energía, todo ello sin comprometer la comodidad o la productividad. En este contexto, para una eficiencia energética adecuada en edificios residenciales, hay que tener en consideración una serie de factores, tal y como se especifica en la certificación energética de los edificios regulada en las EPBDs. En particular, los sistemas de calefacción son esenciales para optimizar el uso de energía y también en la reducción de su costo y el impacto ambiental causado; en este sentido, el uso de fuentes de energía renovables es una interesante alternativa a los combustibles fósiles, en particular la biomasa; sin embargo, su uso en España no está muy extendido. Por otra parte entre las posibles soluciones de ahorro energético más eficaces se encuentran las relacionadas con el diseño de la construcción, así como el uso de materiales constructivos con baja transmitancia térmica; en este sentido las envolventes térmicas son la parte de los edificios más expuestas a las inclemencias del tiempo y por lo tanto tienen un impacto significativo sobre el rendimiento energético como consecuencia de mayores transferencias térmicas producidas. Por último, la precisión en la asignación de una zona climática a una ciudad es esencial para estudiar el dimensionamiento correcto de agua caliente sanitaria (ACS), calefacción y sistemas de refrigeración, así como de los materiales de construcción. En España, el sistema actual para la asignación de zonas de climáticas está regulado por el Código Técnico de la Edificación (CTE); sin embargo, los datos climáticos de las ciudades no siempre están disponibles, por lo que el método CTE ha propuesto algunas soluciones, pero no siempre son lo suficientemente precisas. En consecuencia, el objetivo de esta tesis ha sido el análisis de los factores indicados, y que afectan a la eficiencia energética en los edificios de viviendas, todo ello para mejorar la calificación energética y en consecuencia, reducir el consumo de combustibles fósiles, así como el impacto ambiental. Los resultados han demostrado la importante contribución de una fuente de energía renovable, como la biomasa, en la reducción de las emisiones de CO2, así como de los costes económicos, hasta un 95% y 88% respectivamente. Las mejoras en las soluciones constructivas utilizadas en la envolvente y destinadas a reducir los valores de transmitancia térmica, han alcanzado valores de reducción de emisiones de CO2 entre el 65% y el 95%, de acuerdo con la solución adoptada. Todas las medidas indicadas permiten, además, la mejora de la calificación energética de los edificios. Finalmente, la determinación de la zona climática se ha mejorado, con respecto a la propuesta existente en el método CTE, con la propuesta de un nuevo método basado en el uso de funciones de aproximación y de interpolación. La nueva clasificación generada se ha validado en áreas con datos climáticos disponibles de municipios andaluces y ha puesto de manifiesto resultados más acordes con las características climáticas de los municipios. El diseño de este método permite su uso en cualquier área ya que utiliza como datos de partida la latitud, la altitud y la longitud de la zona de estudio.