Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autor
- Pablo Carnero Melero, Responsable Energía, Azalea Solar Decathlon UPV-Universitat Politècnica de València (UPV)
Resumen
La cuantificación de la eficiencia energética de los edificios es vital a la hora de poder cumplir los compromisos medioambientales. Sin embargo, para llevar a cabo un correcto diagnóstico, se debe garantizar que las herramientas utilizadas describen efectivamente la realidad energética existente. El presente trabajo versa sobre el análisis y estudio comparativo de la modelización de dos edificios residenciales y el cálculo de sus demandas, llevado a cabo por los programas reconocidos para la certificación energética en España. Dichas herramientas informáticas serán comparadas entre ellas, dentro de los límites de la normativa, analizando las causas de las diferencias. Posteriormente, se realizará una contrastación con los resultados arrojados por el modelado del mismo tipo de edificios con el software de referencia EnergyPlus.
Palabras clave
Simulación, Edificio Residencial, Demanda, Programas Reconocidos, EnergyPlus, Certificación Energética
Introducción a la calificación energética de edificios
La eficiencia energética en los edificios es un aspecto clave en el desarrollo de un mundo sostenible y, de un tiempo a esta parte, desde diferentes organismos legislativos se ha identificado no únicamente su problemática sino también su posibilidad y necesidad de mejora.
Desde la Directiva 1989/106/CE se estableció la necesidad de proyectar y construir los edificios y sus sistemas, con miras a tener un impacto energético moderado. Posteriormente, la Directiva 1993/76/CE, evidenció el elevado consumo de energía en el sector de la edificación de la Comunidad Europea, tanto residencial como terciario. Además, dicho documento sentó las bases de la certificación energética, entendida como una herramienta de diagnóstico energético de los edificios, tanto en fase de proyecto de nueva construcción o existentes. La Directiva 2002/91/CE siguió haciendo hincapié en la importancia de determinar la calidad energética del parque edificatorio europeo. Finalmente, a nivel nacional, el Real Decreto 2007/47 estableció los procedimientos concretos para la correcta calificación energética, aprobando los Documentos Reconocidos, entre los que se encontraba CALENER, la primera herramienta oficial de certificación energética en España. En el ámbito europeo, se publicó la Directiva 2010/31/UE y añadió algunos matices y consideraciones a cerca de la metodología de cálculo de la eficiencia energética de los edificios. Fundamentalmente, estableció la necesidad de los procesos de certificación energética de los diferentes estados miembros, debían estar vinculados a un análisis dinámico y prolongado en el tiempo; es decir, las certificaciones energéticas deben partir de la base de una simulación energética.
En la última década, el desarrollo de la tecnología ha permitido el surgimiento de nuevas herramientas de simulación y certificación energética. Este hecho hace que surja la pregunta de si el diagnóstico energético realizado actualmente con las herramientas aprobadas por la legislación permite un fiel reflejo de la realidad de los edificios o no.
El objetivo de este trabajo es llevar a cabo una tarea de análisis exhaustivo y comparativo entre las diferentes opciones de certificación energética reconocidas por la normativa. Se analiza posibles diferencias en la definición y caracterización de la demanda energética en dos edificios residenciales, así como el ajuste o no a la normativa vigente en materia de certificación. Además, se genera un modelo original de los mismos mediante el programa informático EnergyPlus, que entrará también en la comparativa por ser considerado un programa de simulación de garantías por la comunidad científica. Por lo tanto, se tiene no únicamente un análisis que contesta a la pregunta ¿qué diferencias existen a la hora de certificar energéticamente un edificio residencial en España? Sino también a la pregunta de ¿qué software de certificación energética lleva a cabo una mejor simulación energética?
La intención de este estudio es evidenciar los puntos débiles que puedan existir, con el fin de promover el uso de las herramientas más fiables al alcance de los profesionales técnicos para facilitar un proyectado, construcción y operación de los edificios y sus sistemas de un modo sostenible, con mayor transparencia desde el punto de vista energético.
Aquellas cuestiones que no se traten en detalle en esta ponencia y deseen ser consultadas por los lectores, pueden ser dirigidas al Trabajo Final de Máster con el mismo título que la ponencia en el repositorio de la UPV.
Procedimiento
El procedimiento seguido a la hora de realizar este trabajo ha sido el modelado, en cada uno de los programas objeto del análisis, de dos edificios residenciales representativos del parque edificatorio nacional, una vivienda unifamiliar adosada y un edificio de viviendas en bloque.
Para llevar a cabo una definición equitativa entre los diferentes modelados con cada programa, se aúnan las características constructivas y condiciones operacionales, las cuales han sido definidas como las del edificio de referencia para la zona climática D3.
Conviene destacar que, para la mayoría de los programas analizados, la definición del edificio de referencia residencial objeto del estudio ha sido manual. Esto es así porque la legislación únicamente define el edificio de referencia para la tipología de terciario. Sin embargo, la traslación de las características constructivas y los perfiles de uso es sencilla.
Una vez se tienen las características constructivas, de funcionamiento y uso del edificio, se está en condición de abordar el cálculo de la demanda energética y, con la definición de sistemas, el consumo de energía final asociado. Para ello, conviene hacer hincapié, una vez más, en el carácter dinámico del análisis. Este dinamismo tiene especial importancia cuando se evalúan las características térmicas reales del edificio, como son la inercia térmica, los puentes térmicos, las infiltraciones o el funcionamiento a carga parcial de las instalaciones.
En el proceso de simulación energética de un edificio, básicamente, se tienen dos pasos, la realización del modelo del edificio, y el modelo de cálculo energético del mismo. El primero es la traducción de la geometría real del edificio al formato que puede entender el programa, y el segundo es la resolución de los fenómenos físicos que afecten al edificio mediante unos planteamientos matemáticos determinados. La definición de la realidad geométrica en el modelo del edificio mediante unos planos detallados, o mediante un conjunto de superficies y orientaciones condiciona que, por ejemplo, en el modelo se pueda determinar un cálculo radiante interior detallado mediante factores de forma.
Diferentes modos de realizar los modelos geométricos de la simulación energética; la consideración de uno u otro tipo de datos de entrada, la suposición de otros; los fenómenos físicos que se introducen en el modelo de cálculo, así como los procedimientos matemáticos aplicados dan lugar a diferentes programas de simulación.
La legislación establece un marco normativo a la hora de llevar a cabo la certificación; es decir, no cualquier procedimiento es válido para poder determinar la calificación energética de un edificio. Se tienen unas restricciones normativas que son ineludibles y, por lo tanto, comunes a todos los programas reconocidos; y hay unos aspectos donde se da mayor libertad a los procedimientos de cálculo. Dentro de estos límites es donde se desarrolla este trabajo.
Consideraciones de los programas reconocidos
Los programas reconocidos tienen una serie de hipótesis comunes en el modelado, referidas por el conocido como Documento Maestro. Este documento normativo establece las condiciones técnicas y de aceptación de los procedimientos reconocidos. Básicamente se establecen tres tipos de valores a considerar.
- Tipo 1.- Valores obligatorios, definidos reglamentariamente, o en otros documentos emitidos por el Ministerio de Fomento o Ministerio de Industria, Energía y Turismo, que deben adoptarse sin modificación.
- Tipo 2.- Valores ligados al procedimiento de cálculo que pueden ser modificados por otros obtenidos por procedimientos o fuentes de validez contrastada y con justificación específica, cuando estos resulten más coherentes con el procedimiento de cálculo utilizado.
- Tipo 3.- Valores relacionados con el proyecto o las soluciones del edificio existente, de los que se toman sus valores. En algunos casos, se aportan valores por defecto que se podrían adoptar en ausencia de datos específicos más ajustados a las condiciones del edificio.” (IDAE 2009).
Las clases a la que aplican los tipos de datos anteriores y que deben ser consideradas por cualquier programa reconocido son solicitaciones exteriores; solicitaciones interiores y condiciones operacionales; condiciones de contorno en las superficies interiores y exteriores; transmisión y radiación en cerramientos opacos y el terreno; transmisión y radiación en huecos; renovación de aire y equipos.
Cada clase mencionada tiene algunos datos que son de tipo 1, otros de tipo 2 y otros de tipo 3. Conviene remarcar que aquellos datos de tipo 1 deben ser comunes a todos los programas de cálculo, dado que vienen fijados por la reglamentación; los de tipo 3 dependen del proyecto y no presentarán diferencias en el alcance de este trabajo, dado que se fijan las condiciones del edificio de referencia para la zona D3. Finalmente, aquellos datos de tipo 2 es donde puede existir cierta holgura, permitida por la normativa y, en última instancia son los que afectarán a los resultados finales con cada programa analizado.
No se entra en este documento al detalle de qué comprende cada variable asociada a cada clase por cuestiones de extensión. En el apartado siguiente se analizará aquellos puntos en los que los programas reconocidos, por exceso o por defecto, se desvían de la normativa en materia de certificación energética de edificios.
Programas de simulación
A continuación, se realiza un breve análisis sobre las consideraciones técnicas de cada programa reconocido.
Herramienta Unificada Líder-Calener (HULC)
HULC es el programa de referencia para la certificación energética de edificios nuevos o existentes. Por lo tanto, en lo referente a los parámetros a considerar, cumple con la normativa con solvencia en la mayoría de los apartados. Esta herramienta lleva a cabo una simulación energética.
Se detecta, sin embargo, que en lo que a solicitaciones exteriores respecta, el programa no hace uso de los ficheros climáticos oficiales, en formato *.MET, publicados por el Ministerio de Energía, Turismo y Agenda Digital en la página web oficial, sino que utiliza otros con otro formato y otros datos. Este error es común a todos de programas analizados y, grave, al tratarse de un dato de tipo 1. Se puede observar el detalle en la figura siguiente sobre la temperatura de bulbo seco, sucede algo análogo con el resto de las variables.
CE3
CE3, a diferencia de HULC, es un procedimiento simplificado para la certificación de eficiencia energética de edificios existentes. Se trata de un programa que guarda multitud de similitudes con HULC en la interfaz gráfica, así como en la forma de tratar cierta información. También realiza una simulación energética.
Como se expuso en el subapartado anterior, CE3 también hace uso de los mismos ficheros climáticos asociados a las solicitaciones exteriores que HULC, en formato *.bin. Por lo tanto, comete el mismo error de no utilización de los oficiales. En lo relativo a la transmisión y radiación en cerramientos opacos y el terreno llama la atención la cantidad de errores de definición que han surgido en el modelado de sendos edificios. Además, se observa, consultando los fundamentos técnicos del programa, la excesiva simplificación realizada en la cuantificación de puentes térmicos. Únicamente se permite realizar una asignación de parámetros por defecto, desconocidos por el usuario y vinculados a la transmitancia global de los cerramientos opacos.
CE3X
CE3X es otro procedimiento simplificado de calificación energética de edificios existentes, recientemente complementado para ser habilitado para nueva construcción. Es muy importante remarcar que este software no realiza una simulación propiamente dicha del edificio que se define en el programa; sino que asemeja el edificio introducido, mediante unas variables adimensionales globales y un ajuste estadístico, a uno ya simulado previamente con el antiguo CALENER-VYP. Este hecho supone que el programa CE3X no analice la dinámica del edificio objeto, sino que realiza un ajuste sobre la dinámica que tiene un edificio tipo simulado en las capitales de provincia con un software de referencia.
CERMA
Este programa es una aplicación normativa para la calificación energética de edificios residenciales, tanto existentes como nuevos. Realiza una simulación energética, a diferencia de CE3X.
Las solicitaciones exteriores se solventan de un modo muy detallado en lo relativo al cálculo de sombras. Sin embargo, se tiene una situación similar a lo que sucedía con el resto de los programas contemplados; no se utilizan los ficheros climáticos normativos, sino otros en formato *.xml, muy similares a los de HULC. En lo relativo a las condiciones de contorno en las superficies no existen desviaciones de la normativa, salvo en la porción radiante de las cargas internas por ocupación y en el modelado del mobiliario. Dichas variaciones son permitidas por la norma, al ser datos de tipo 2.
CERMA presenta un punto muy favorable, la presentación de resultados. Desglosa cada intercambio de calor e identifica su procedencia, facilitando abordar medidas de mejora.
SG-SAVE
Recientemente, en el mes de julio de 2018, este programa desarrollado por la multinacional Saint Gobain, basado en una simulación energética con el motor de cálculo de EnergyPlus, usando las plataformas de SketchUp y OpenStudio, ha adquirido el rango de Documento Reconocido.
Esta aplicación normativa es la única de las existentes que permite realizar una generación directa del edificio de referencia residencial, dado que la legislación únicamente contempla el edificio de referencia para terciario. Para este análisis se ha aprovechado esta generación directa del edificio de referencia. Sin embargo, en la transición de SketchUp a OpenStudio presenta grandes incoherencias superficiales en la realización del modelo del edificio.
Las solicitaciones exteriores no son resueltas haciendo uso de los ficheros normativos, sino que se utilizan otros, en formato *.epw, que además difieren de los empleados por HULC. Las solicitaciones interiores y condiciones operacionales se resuelven, en la mayoría de apartados, de un modo incorrecto. Se tiene un desfase horario injustificado en las cargas internas por ocupación y no se modela en absoluto el sombreamiento normativo de ventanas. Estos dos incumplimientos normativos son graves, al tratarse de datos de tipo 1. Las condiciones de contorno en las superficies interiores y exteriores se resuelven, mayormente, de un modo correcto, yendo más allá de las limitaciones normativas en aquellos datos de tipo 2. Existen diferencias, no graves, en los porcentajes radiantes de las cargas por ocupantes, así como en la definición del mobiliario. La transmisión y radiación en cerramientos opacos y el terreno es correcta, salvo por el inexistente modelado de los puentes térmicos. La transmisión y radiación en huecos es correcta, salvo por el punto anteriormente mencionado del no sombreamiento de las ventanas en aquellos períodos que establece la normativa. Las renovaciones de aire son correctas, salvo por el modelado de las infiltraciones, que no se modela y se asume como constante, ignorando los coeficientes exponenciales, establecidos como de tipo 1. Los equipos no presentan discrepancias normativas.
SG-SAVE ofrece una presentación de resultados con mayor detalle que CERMA.
CYPETHERM HE PLUS
De un modo similar a SG-SAVE, este software desarrollado por Cype Ingenieros, simula energéticamente con motor de cálculo de EnergyPlus, adquirió el rango de Documento Reconocido en julio de 2018. El programa hace uso de la metodología Building Information Modeling (en adelante, BIM). Por lo tanto, su geometría se ha de definir mediante este tipo de herramientas.
Para la definición de las solicitaciones exteriores, el programa hace uso de unos ficheros idénticos a SG-SAVE y, por lo tanto, también diferentes a los normativos. La única mención de crítica expresa se dirige al modelado de las persianas, las cuales cuando entran en actuación sombrean la totalidad de la ventana, y no el 30% que establece por defecto la normativa. Para la renovación de aire, se tiene que el programa realiza una modelización que va más allá de las limitaciones establecidas por los datos de tipo 2 normativos. Contempla en las infiltraciones coeficientes según temperatura, presión diferencial, y viento.
La presentación de resultados de CYPETHERM HE PLUS es muy buena, con detalles similares a los expuestos en SG-SAVE.
Modelo propio
Como se mencionó en las partes introductorias de este trabajo, se ha realizado un modelo original en EnergyPlus para llevar a cabo una simulación energética. Este programa, con la modelización adecuada, se considera como el procedimiento de mayor precisión en el mercado para llevar a cabo una correcta calificación energética. Para las solicitaciones exteriores se ha realizado una traducción de los ficheros climáticos oficiales, en formato *.MET, al formato de trabajo de EnergyPlus, *.epw.
Para el resto de los parámetros definitorios de la certificación energética, se ha seguido estrictamente la normativa, yendo más allá cuando se ha tratado de datos de tipo 2.
Resultados
Habida cuenta de sus diferencias de funcionamiento y los posibles errores existentes en su adecuación a los límites normativos de cada programa reconocido, se tienen los siguientes resultados.
Se ha añadido una simulación adicional para el programa CE3, teniendo un modelado mediante el método simplificado de superficies y orientaciones (CE3_1). Además, se ha añadido otra utilizando los ficheros climáticos erróneos, empleados por SG-SAVE y CYPETHERM HE PLUS, para el Modelo propio (Modelo propio-RV) y así eliminar la obvia diferencia por el mal tratamiento de las solicitaciones exteriores.
Se observa la gran discrepancia existente entre los programas reconocidos, presentando CE3X desviaciones relativas frente a HULC de alrededor del 50% en la vivienda unifamiliar y superior en el bloque. También se puede constatar que SG-SAVE, pese a estar basado en EnergyPlus, no hace un trabajo especialmente bueno, presentando grandes desviaciones frente a la referencia, errores desde el 23% hasta el 139%. No es el caso de CYPETHERM, quien mantiene los errores en rangos aceptables en la mayoría de casos. Conviene mencionar la desviación de los programas de definición geométrica simplificada al abordar la vivienda en bloque.
Con todo, se concluye que CYPETHERM HE PLUS es el programa que se considera de mayor rigor en la modelización de los edificios contemplados, aunque tiene algún que otro aspecto a mejorar.
Finalmente, llama la atención lo lejos que se encuentran la mayoría de los programas del modelado realizado por el Modelo propio en algunos casos; el cual no contiene prácticamente errores normativos, especialmente cuando se elimina la discrepancia evidente por el uso de ficheros climáticos diferentes. Desde el punto de vista de la calidad de la simulación energética, CERMA es el programa que menos difiere respecto a los resultados arrojados por el Modelo propio en el modelado de la vivienda unifamiliar, siendo HULC quien más se ajusta en la simulación del bloque de viviendas.
Conclusiones
Existe una disparidad mayúscula en los resultados arrojados por las diferentes herramientas de certificación energética. Se necesita una mayor labor no sólo de actualización de las tecnologías permitidas, sino también una investigación para comprobar que el diagnóstico energético realizado se corresponde con la situación real de los edificios de España. Bien cierto es que hay puntos de la norma que merecen ser estudiados y mejorados. Sin embargo, en la actualidad, la realidad es que no se están cumpliendo las restricciones normativas en materia de certificación energética. Existen multitud de procedimientos administrativos, así como subvenciones y ayudas económicas, que tienen como punto de valoración la calificación energética. Hoy en día, existe una gran variación de procedimientos habilitados para conseguirla, produciendo diagnósticos muy alejados de la realidad.