Energy characterization and comfort conditions in Rafael De La Hoz’s social housing in Córdoba. Scenarios for improvement

La reducción del impacto global del proceso edificatorio en el entorno medioambiental y la búsqueda de una mayor eficiencia energética han promovido la investigación en medidas que limiten el consumo energético, así como la adopción de soluciones técnicas adecuadas para el desarrollo sostenible y la mejora de la habitabilidad en los edificios. En España, el 61 % del parque residencial existente presenta deficiencias respecto a los estándares energéticos actuales, al haberse construido anteriormente a la primera normativa en materia de acondicionamiento térmico de los edificios, la Norma Básica de la Edificación "Condiciones Térmicas en los Edificios", NBE CT 79. Así pues, se considera una línea prioritaria actuar para mejorar energética y ambientalmente este importante parque residencial. La presente tesis doctoral tiene como voluntad establecer un protocolo de análisis del parque residencial existente, respondiendo a los tres objetivos generales planteados, con objeto de incrementar la información disponible acerca del estado actual de estos edificios como paso previo a acometer cualquier actuación de mejora en ellos, valorando el nivel de bienestar térmico en el interior de viviendas situadas en clima mediterráneo a partir de modelos empíricos de enfoque adaptativo, con objeto de cuantificar la mejora que estos edificios podrían obtener si se aplicaran estrategias pasivas estándar de rehabilitación energética que mermaran la falta de confort térmico, así como la demanda de energía primaria y las emisiones de CO2 asociadas. En concreto, este protocolo de análisis se aplica en el parque edificado de vivienda social entre 1950-1980 en Córdoba, ciudad situada en el área sur del arco mediterráneo español, y se centra principalmente, en la obra del arquitecto Rafael de la Hoz, ya que supuso un paradigma del Movimiento Moderno en el desarrollo de este tipo residencial. El análisis ambiental y energético del parque edificado se desarrolla a través un enfoque bottom-up mediante tres niveles: un nivel de detalle 1, a escala territorial, centrado en la promoción, donde se aborda la caracterización arquitectónica y constructiva mediante la clasificación tipológica de los edificios y la definición de las soluciones constructivas de su envolvente térmica; un nivel de detalle 2, enfocado a nivel de bloque, en el que se desarrolle la caracterización energética de los edificios analizados a partir de la información obtenida en el nivel previo, y se cuantifique su nivel de emisiones de CO2 y demanda anual de energía primaria; y un nivel de detalle 3, a escala de vivienda, en el que se recopila información del estado actual de los edificios mediante la realización de ensayos in situ (termografía, permeabilidad al aire de la envolvente térmica de los edificios) y la monitorización de variables ambientales y energéticas, en tres viviendas pertenecientes a tres barriadas de vivienda social de Rafael de la Hoz, representativas de este parque residencial, seleccionadas tras el análisis estadístico de la información obtenida en los niveles previos. Gracias a la recopilación de información bajo condiciones de uso y ocupación reales, la investigación desarrollada salva las diferencias entre el comportamiento simulado de los modelos energéticos y el comportamiento energético real de los casos de estudio, permitiendo validar el potencial de mejora de los edificios analizados mediante la implementación de los modelos energéticos con estrategias pasivas estándar de rehabilitación centradas en la envolvente térmica de los edificios, que posibiliten el bienestar térmico en las viviendas, además de contribuir a reducir la demanda de energía primaria y las emisiones de CO2 de este sector residencial. Para finalizar el ciclo de análisis, se transponen los escenarios de mejora evaluados en las viviendas, a los niveles de detalle a escala territorial y urbana (1 y 2), para cuantificar la mejora obtenida en términos globales. Además de cuantificar el comportamiento ambiental y el consumo y demanda energéticos en los casos de estudio monitorizados, la presente tesis doctoral se centra en el estudio de las condiciones interiores de las viviendas analizadas, y si éstas realmente pueden proporcionar un nivel razonable de confort térmico y bienestar a los usuarios. Generalmente, los estándares actuales se centran en modelos estáticos de evaluación de confort y las regulaciones locales en materia de eficiencia energética prescriben unos rangos muy restrictivos, lo cual genera un uso casi obligado de sistemas activos de climatización para mantener las condiciones interiores dentro de los rangos de confort. Por el contrario, el modelo adaptativo ofrece una evaluación más realista del bienestar térmico, garantizando una menor necesidad del uso de equipos activos en el mantenimiento del confort interior, ya que el edificio se mantiene en régimen de libre evolución durante más tiempo, sin necesidad de activar los sistemas de calefacción o refrigeración. Dada la naturaleza empírica de las ecuaciones de confort adaptativo, se plantea un análisis de la aplicabilidad de dos modelos pertenecientes a estudios experimentales y a estándares internacionales, de forma que se logre un ajuste de dicho modelo a climas Mediterráneos de la zona climática B4 (Csa), como es el caso de Córdoba. En concreto, el Estándar 55 de ASHRAE, de aplicación internacional, y el Estándar MM de Barbadilla- Martin et al. (2017), desarrollado en la misma zona climática que el parque edificado objeto de estudio se emplearán para desarrollar la evaluación y el diagnóstico de las condiciones de falta de confort térmico en el parque residencial a través de este tipo de enfoque dinámico. Los escenarios e hipótesis de intervención que se plantean para la actualización de este parque residencial se centran en la incorporación de aislamiento térmico en la parte opaca de la envolvente térmica, la mejora de las características térmicas de vidrios y carpinterías, así como de la permeabilidad de los huecos, y la implementación en las viviendas de un sistema de ventilación higrorregulable de caudal variable. El análisis individual de cada estrategia de actuación deriva en la definición de una propuesta integral de mejora cuya aplicación ofrece un significativo incremento de las condiciones de bienestar térmico en el interior de las viviendas, aproximando las temperaturas al rango de confort térmico establecido por el modelo adaptativo ajustado (20,9 ºC en invierno y 30 ºC en verano) hasta alcanzar un 100 % de horas ocupadas de bienestar térmico en algunos casos. La estrategia integral de mejora es aplicable en actuaciones de conjunto a nivel urbano y territorial que engloben edificaciones con características constructivas similares, consiguiendo de esta forma una reducción del 30 % de las emisiones de CO2 y un 40 % de la demanda anual de energía primaria del sector edificado a escala global. La voluntad de contribuir a aumentar el conocimiento acerca del parque residencial de la zona mediterránea ha dado pie a la generación de una base de datos asociada a un Sistema de Información Geográfica, en la que se ha incorporado toda la información relativa a la identificación, definición y análisis de las características morfológicas, constructivas y energéticas del parque residencial. Dicha base de datos georreferenciada se presenta como una herramienta de almacenamiento, análisis y manipulación de la información relativa al estado actual de este parque residencial, posibilitando la accesibilidad y el manejo de esta información a entidades y organismos encargados de la redacción de planes especiales de rehabilitación energética del parque residencial obsoleto.Current intentions to reduce the environmental global impact and a higher energy efficiency of the building sector have encouraged research on energy conservation measures and concrete actions suitable for sustainable development and the improvement of habitability conditions in buildings. In Spain, 61 % of the existing residential stock shows a deficient energy performance regarding prevailing energy standards, due to the fact that they were built before the first regulation on thermal conditions in buildings, the NBE-CT 79. Hence, improving this important amount of existing housing stock from the energy and environmental angle is a preferential issue to matter. This doctoral thesis pursues to set up a protocol for analysing the existing residential stock, by answering to three main aims, to increase the available data on the current state of these buildings as a previous step to intervene on them with any kind of upgrading action, to assess the level of thermal well-being inside the dwellings located under Mediterranean weather conditions by means of adaptive approach-based empirical models, to quantify their potential for improvement through the application of passive standard energy retrofit strategies that lessen the lack of thermal comfort, as well as shorten the annual energy demand and the associated CO2 emissions. In particular, the analysis protocol is applied to the existing social housing stock built between 1950-1980 in Córdoba, a city from the southern area of the Spanish Mediterranean arc, mainly focusing in the work of the Spanish architect Rafael de la Hoz, who entailed an architectural paradigm of Modern Movement by fostering the development of this sort of residential buildings. The environmental and energy assessment of the building stock is developed through a three-level bottomup approach: a detail level 1, at a territorial extent, centred in a promotion scale, which deals with the architectural and constructive characterization of the buildings, by their typological classification and the definition of the constructive solutions employed in their thermal envelope; a detail level 2, targeted to a building scale, which runs an energy characterization of the analysed buildings from the gathered information in the previous level, and quantifies their CO2 emissions and primary energy annual demand; a detail level 3, at a dwelling scale, in which a compilation of data about the current state of the buildings is gathered by means of in situ tests (infrared thermography and air-tightness of the outer parts of the buildings’ thermal envelope) and the monitoring of environmental and energy parameters, in three dwellings that belong to three social housing neighbourhoods made by Rafael de la Hoz, which turn to be representative of the investigated building stock after running a statistical analysis in previous levels. Thanks to the data collection under real use and occupancy conditions, the present research bridges the gaps between energy models simulation results and the energy performance of real case-study units. This allows to validate the potential of improvement of the studied buildings by way of passive standard energy retrofit strategies applied on the thermal envelope of the energy models that foresee an increase on thermal comfort in the dwellings, alongside with the decrease of primary energy demand and the CO2 emissions of this housing sector. To close the cycle, the scenarios for improvement assessed on the dwellings are transposed to urban and territorial scale detail levels (1 and 2), to quantify the obtainable benefits in global terms. In addition to the environmental and energy consumption and demand evaluation of monitored case-study dwellings, this doctoral thesis focus on the assessment of indoor conditions in them, and whether they really provide the users with a reasonable thermal comfort and well-being level. Usually, current energy standards and local regulations base thermal well-being requisites on a steady-state basis, and prescribe very narrow comfort temperature ranges, that imply a compulsory use of conditioning active systems (HVAC) to keep indoor temperatures between the threshold. On the contrary, the adaptive model offers a more realistic approach to thermal well-being, guaranteeing a lower need to use active equipment in maintaining indoor comfort, inasmuch the building runs in free-floating regime for longer hour, without needing the activation of HVAC systems. Given the empirical nature of the adaptive comfort equations, the applicability of two models that belong to experimental research and appear in international standards are examined, in order to set an adjusted model to Mediterranean weather conditions from Spanish B4 climate zone (Csa), as is the case of Córdoba. Particularly, ASHRAE Standard 55, with international scope of application, and Barbadilla-Martin et al. (2017) Standard MM, developed in the same climate zone as the analysed buildings, will be employed in the assessment and diagnosis of the lack of comfort in the considered housing stock by way of the adaptive approach. Hypothetical scenarios of intervention for the upgrading of this residential stock are targeted to the addition of thermal insulation in the opaque parts of the thermal envelope, implementing window glazing and joinery with improved thermal characteristics, together with more air-tight windows, and the incorporation of a mechanical ventilation system with a hygroregulable air-flow adjusted to occupancy needs. The individual analysis of each strategy leads to the formulation of an all-inclusive proposal that provides with a significant increase of thermal well-being inside the dwellings, bringing indoor temperatures closer to temperature ranges set by the adjusted adaptive comfort model (20.9 ºC in winter and 30 ºC in summer) achieving a 100 % of occupancy hours of thermal well-being. The all-inclusive strategy can be applied at urban and territorial levels of intervention concerning buildings that share similar constructive characteristics and obtaining a 30 % reduction of CO2 emissions and a 40 % decrease of primary energy annual demand in the building sector at a global scale. The aim to fill the gap of knowledge about the existing Mediterranean housing stock has led to the generation of a data base associated to a Geographic Information System, in which all the recorded data on the identification, definition and analysis of morphological, constructive and energy aspects of the residential stock has been organized and stored. The geographic data base is hereby presented as a tool for storing, analysing and data mining the current state of the residential stock, making it user-friendly and accessible to key stakeholders in charge of the development of energy retrofitting urban plans to upgrade these obsolete buildings