Biblioteca solar: Compacidad tipológica; ganancias solares, implicación térmica del terreno; y optimización energética del programa de usos

Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula

Autores

• Nieves Mestre, Arquitecta, ETSAM Universidad Politécnica de Madrid
• Eduardo Roig, Arquitecto, Universidad de Alcalá
• Elvira Carrión, Arquitecta, IDEA ingeniería
• Alejandro Bosqued, Arquitecto, Zero Energy Consumption

Resumen

El proyecto nace como propuesta arquitectónica para el concurso internacional de la Biblioteca Municipal de Las Tablas de Madrid. La Biblioteca Solar (Por allí resopla…) se planteó con una estrategia bioclimática basada en reducir el consumo mediante la compacidad tipológica, las ganancias solares, la implicación térmica del terreno y la optimización energética del programa de usos. La demanda restante se resuelve mediante sistemas de aerotermia de alta eficiencia (COP 4.5) apoyados en generación fotovoltaica, que permitirán generar energía por encima de la demanda energética del edificio, y por tanto convertir la biblioteca en un donante energético para el barrio. Se propone un acoplamiento programático en franjas de uso de “mañana” y “tarde” que permite una optimización de las inercias térmicas y los consumos de acondicionamiento. Se plantea también un sistema constructivo basado en la prefabricación, dirigido a minimizar los recursos energéticos del proceso constructivo y reducir el tiempo y el precio de la obra.

Palabras clave

Biblioteca, Compacidad Tipológica, Pabellón Solar, Empaquetamiento Programático, Aerotermia, Walled Gardens, Muros Termoactivos, Modulación, Prefabricación

Introducción: Más allá de la eficiencia

Los acuerdos aprobados con ocasión del reciente protocolo COP 21 de París han confirmado la capacidad efectiva de la arquitectura para contribuir positivamente al entorno en que se enclava, y no solo limitarse a minimizar su impacto energético mediante los estándares de la eficiencia energética. La superación del paradigma de la eficiencia en aras de la donancia energética es ya una realidad recurrente en todas las agendas alineadas con la sostenibilidad. Las referencias a los sistemas naturales auto-organizativos y la dinámica estructural de las plantas siguen aportando datos esclarecedores para una revisión ecosistémica del diseño arquitectónico y urbano. A diferencia de lo que se había pensado hasta ahora, la alta resistencia estructural de los sistemas naturales no se basa “en la eficiencia y la estandarización, sino en la redundancia y la diferenciación» (Weinstock 2006: 27).

La publicación del Informe Brutland (EE.UU. 1983) tras la crisis del petróleo del 73, derivó con el tiempo en la proliferación de numerosos estándares cuantitativos para la edificación -el primero fue el BREEAM en 1990-. Esta tendencia ha aumentado el interés por la eficiencia energética, pero «no necesariamente un enfoque más holístico» al diseño arquitectónico ni urbano (Ingersoll 1992: 578). Esta obsesión por la eficiencia no ha demostrado una comprensión de la tecnología en el sentido amplio de la palabra, pero excluyendo los «efectos transformadores en la producción cultural, organizativa, social y política» (Rahim 2005: 179).

Diseñado en 1957 por Charles y Ray Eames, el «Solar do-nothing-machine» fue en realidad una hermosa crítica contra la obsesión por la utilidad de las aplicaciones solares, expandiendo el estrecho repertorio de dispositivos fotovoltaicos que catalizó buena parte de la producción arquitectónica de la década). La propuesta que resume esta comunicación es un intento por razonar una aproximación a los componentes sintácticos del diseño ecológico. Se propone una arquitectura entendida desde la donancia energética, rebajando la experientacion meramente formal y priorizando los requerimientos de acoplamiento energético, compacidad programática y geometría solar.

Estrategia arquitectónica urbana

Posición, retranqueos y acceso

La estrategia urbana de la propuesta se adecúa a los requisitos de la ordenanza de Las Tablas, área norte de Madrid, priorizando una geometría solar óptima. Se propone una nueva alineación orientada a Sur, pero claramente separada del linde con la Escuela infantil para minimizar sobre ella la obstrucción solar. Los edificios propuestos persiguen la cota del terreno, con el fin de evitar excavaciones importantes. La pieza principal se organiza con un prisma recto orientado a mediodía, buscando la mayor compacidad, y sumergido parcialmente en la rasante original (Figura 1). Se ajusta el nivel de acceso a la cota de la calle Eunate (planta baja), y añade una planta definida como “bajo rasante” según las especificaciones del PGOU, pero en realidad alineada con la calle Castillo de Candanchú. De esta forma se desarrolla todo el programa en dos plantas bajas superpuestas, cada una de ellas accesible desde una las calles que limitan la parcela por Este y Oeste. El programa de parking e instalaciones o espacios no calefactados, se plantean como una crujía exterior, de forma que no penalicen climáticamente la envolvente del edificio.

Tiempo y programa; Gestión del espacio abierto

Se concibe el acceso por la calle Eunate (planta baja) para las estancias consideradas centrales al programa de biblioteca -las de uso de mañana-. La planta alineada con la calle Castillo de Candanchú contiene el programa definido en el pliego como “Bajo rasante” y el resto de estancias asociadas al centro cultural, se prevee un uso predominante en horario de tarde. Este empaquetamiento programático en franjas de uso de “mañana” y “tarde” permite una optimización de los consumos de acondicionamiento (Figura 2). La demanda a primera hora se concentra en la planta principal (menos de la mitad del volumen); a medida de pasan las horas, la inercia térmica del edificio participa del atemperamiento supeditado a las cargas de ocupación para abastecer la demanda en horario de tarde (correspondiente al volumen total).

Solución constructiva; modulación y repetición, sistematización y prefabricación

Se plantea un sistema constructivo basado en la modulación y la repetición, la sistematización y la prefabricación. De esta forma el proyecto es capaz de minimizar los recursos energéticos del proceso constructivo y reducir el tiempo y el precio de la obra. El ambiente es doméstico. la propuesta divide el programa en dos edificios, reduciendo la escala de intervención: una crujía para los programas de gran superficie y otra para los locales de menor dimensión (Figura 3). En lo que se refiere a la estructura principal, se propone un sistema de pórticos de hormigón prefabricado y de componente parcialmente reciclado y sin aditivos. Todo el esqueleto secundario se propone en madera maciza de origen local. La concepción de los dos volúmenes responde a la voluntad de crear espacios que aprovechen al máximo la energía solar y se protejan de la intemperie según la estación, garantizando las exigencias programáticas del programa. Así, se crean dos envolventes muy diferenciadas. Así, estos volúmenes interiores muy aislados y a alta inercia térmica sacan provecho de un espacio circundante con condiciones climáticas controladas pasivamente.

1. Una primera piel de policarbonato macizo ondulado permeable visualmente que protege del viento, la lluvia, y crea espacios generosos con abundante luz solar. Gracias al efecto invernadero en invierno y a la ventilación natural en verano, estos espacios suponen verdaderas zonas de transición térmica, que precalentarán el aire en invierno y darán sombra en el periodo estival. Esta piel de policarbonato deja pasar la radiación solar generando efecto invernadero y este calor es almacenado en los elementos constructivos (forjados, volúmenes interiores) de alta inercia térmica. Durante los periodos de sobrecalentamiento, la envolvente se protege de la radiación solar gracias a estores enrollables de láminas de madera maciza, y aperturas batientes en fachada y en cubierta generan una ventilación natural por convección que refrescará el aire interior.
2. La segunda piel se concibe como envolvente pasiva para los locales calientes (U=0.15W/m²K). Se trata de una estructura de muros y forjados prefabricados, formados por un esqueleto de madera de abeto y tableros de madera maciza, con relleno de aislamiento de fibras de madera (λ=0.038W/mK), en un sistema estanco a la lluvia y al vapor. Las aberturas, más contenidas en número y superficie son concebidas con marcos fijos y ventanas aislantes con rotura de puente térmico y triple acristalamiento aislante con Argón (Ug=0.6 W/m²K). Estos volúmenes prefabricados tendrán un revestimiento exterior e interior en paneles de triple capa en madera de abeto.

Estrategia energética

Para el diseño del edificio de la biblioteca solar Por allí resopla, se han estudiado aspectos como el clima, la orientación, estrategias bioclimáticas, usos, ventilaciones, puentes térmicos y demandas.

Clima y geometría solar

Del análisis climático de la zona, realizado mediante archivo climático con más de 21 años de datos, se obtiene que las estrategias bioclimáticas principales serán: Ganancia solar (Calefacción); Inercia térmica (Calefacción y Refrigeración); Ventilación nocturna (Refrigeración); Sombreamiento (Refrigeración).

Para aprovechar al máximo las estrategias planteadas se propone una orientación con las fachadas longitudinales N-S y las transversales E-W (Figura 3). El edificio se sitúa en el solar, de manera que su fachada sur no llegue a ser sombreada por el obstáculo que suponen los edificios residenciales del entorno. El día más desfavorable, sería el 21 de enero a las 14:15.

Estrategias bioclimáticas

La estrategia se basa en reducir el consumo mediante la compacidad tipológica, las ganancias solares, la implicación térmica del terreno y la optimización energética del programa de usos.  La demanda restante se resuelve mediante sistemas de aerotermia de alta eficiencia (COP 4.5) apoyados en generación fotovoltaica, que permitirán generar energía por encima de la demanda energética del edificio, y por tanto convertir la biblioteca en un donante energético para el barrio – especialmente cuando otro edificio público (escuela infantil) comparte manzana-.

Estrategias pasivas

El edificio se define como un “pabellón solar”, apoyado estructural y termodinámicamente sobre un muro de alta inercia que lo abriga en su fachada norte. Este muro, se convierte en un muro radiante, alimentado por un pequeño campo de captación solar térmica de 16m² en cubierta.

Una fachada captadora optimizada con los huecos acristalados necesarios y poca inercia térmica permite la ganancia solar directa e indirecta en orientación sur (Figura 4), según la cota. Estrategia que se complementa con acumulación y amortiguación térmica en una fachada opuesta muy masiva. La estrategia “defensiva” respecto al verano madrileño se apoya en la ventilación natural a través de patios y nocturna y las protecciones solares. El referente bioclimático sería el de los “walled gardens” victorianos, construcciones de gran tradición en el clima británico pero que también se adaptan sin problemas al clima continental. Los «muros frutales» térmicos se hicieron cada vez más populares en el siglo XVII, permitiendo a los agricultores urbanos cultivar «frutas y verduras mediterráneas hasta el norte de Inglaterra y los Países Bajos, utilizando solo energía renovable», (Kris De Decker, de la revista Low Tech). Absorbiendo el calor solar durante el día, estos muros de mampostería podían elevar las temperaturas hasta 10 grados centígrados por la noche.

Sistemas activos

La generación energética complementaria, se propone a base de una máquina de aerotermia de bajo consumo y alta eficiencia (4kW con COP 4,5 lo que ofrece 18kW) de calefacción, que, en conjunto con el campo de captación solar térmica, cubre sobradamente las necesidades de calefacción del edificio. El aporte de calefacción está respaldado por un potente muro pantalla de amortiguación y acumulación térmica que permitirá mitigar la demanda de frio o calor. La distribución se plantea a base de muros y forjados termoactivos (radiantes), en la crujía central y la fachada norte.

Las necesidades de iluminación, así como la energía utilizada para la bomba de calor (aerotermia) serán cubiertas gracias a la producción de energía fotovoltaica en cubierta, consistente en una red de celdas de silicio monocristalino con un rendimiento superior a 135 W/m².

Se plantea adosar una subestación eléctrica al lado del centro de transformación, con la ambición de abastecer al propio edificio y también a la escuela infantil. El excedente energético que sea generado será inicialmente volcado a la red, pero cuando la normativa lo permita el edificio tendrá capacidad para acumularlo y posteriormente cederlo a edificaciones contiguas.

Usos, ventilaciones, y puentes térmicos

Con el planteamiento anteriormente indicado, teniendo en cuenta el horario de funcionamiento de las bibliotecas municipales de Madrid, L-V de 9 a 21h y sábados y domingos de 9 a 15:30h, y en función de los usos indicados, PB – Planta Jardín (solo fines de semana) y P1 (uso en función de mañana o tarde), se optimiza el cálculo de la demanda mediante simulación energética. Se plantea ventilación cruzada nocturna a través del patio, lucernarios de cubierta y huecos de planta primera en los periodos de verano, desde el mes de junio hasta el mes de agosto inclusive. La ventilación se realizará en horario de 02 a 07h de la madrugada, de manera que las temperaturas más frescas del verano madrileño se puedan acumular en los muros de alta inercia térmica.

La solución constructiva planteada, elimina los puentes térmicos al máximo, apareciendo exclusivamente los correspondientes a las carpinterías de madera de los huecos acristalados.

La demanda energética obtenida de la simulación (Tabla 1), en función de los usos, horarios, ocupaciones y ventilaciones planteadas para el edificio es de 14,06 kWh/m² año para calefacción y 7,89 kWh/m² año para refrigeración. Demanda que será aportada con energía 100% renovable, y cuyo reducido consumo, por debajo de los requerimientos de ECCN, permite aprovechar la superficie de cubierta e incluso de zonas de jardín o aparcamiento, para generar energía y convertir el edificio en un Edificio de Energía Positiva.

Agradecimientos

Se quiere agradecer la participación de Sumac Cáceres en el proyecto, que ha hecho posible su reconocimiento con mención de honor en el concurso del COAM (Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid).

Referencias

• De Decker, K. (2009). Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills. Low-Tech Magazine. Barcelona.
• Ingersoll, R. (1992). The Ecology Question. Journal of Architectural Education, 45(2), 125-127.
• Mestre, N. (2011) Cloud and mountain, Ideas for a building in symbiosis. En Bodart, M., & Evrard, A. (Eds). Architecture & Sustainable Development (Vol. 2): 27th International Conference on Passive and Low Energy Architecture (Vol. 2). Presses Universitaries de Louvain.
• Rahim, A. (2005). “Performativity: Beyond Efficiency and optimization in architecture”, en Kolarevic Branko y Malkawi Ali (ed.) Performative Architecture: Beyond instrumentality. Londres: Routledge. Pp: 177-193.
• Spuybroek, L. 2008. “Machining architecture”. The Architecture of Continuity. Essays and Conversations. V-2 Publishing. Pp: 184-208.
• Weinstock, M. 2006. “Monsters and Morphogenesis. On Differentiation, Hierarchy and Energy in Natural Systems”. Arte, Arquitectura y Sociedad digital.  Jornadas II. Marzo. pp: 129-132.