Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Blas Beristain de la Rica, Responsable de Eficiencia Energética y Edificación Sostenible, IDOM Consulting, Engineering & Architecture
- Jon Zubiaurre Sasia, Ingeniero Principal, Socio, IDOM Consulting, Engineering & Architecture
Resumen
La UE publicó la Directiva 2010/31/UE (EPBD) persiguiendo la reducción del consumo energético de los edificios por medio de los edificios de consumo casi nulo, o nZEB, como primer paso para alcanzar los edificios neutrales de carbono en 2050. En la práctica, tanto el término “casi”, ambiguo e indeterminado, como la no definición de una metodología de cálculo común, están generando diferentes interpretaciones y confusión dentro del sector. Además de establecer que los edificios han de ser nZEB, la EPBD especifica que éstos han de ser diseñados bajo criterios coste-óptimos, estudiando el coste del edificio en su ciclo de vida completo, sin embargo, tampoco se ha desarrollado una metodología de referencia para este requisito. La ponencia explica el estado del arte en la materia, y presenta un caso práctico de aplicación de una metodología de diseño coste-óptima en base a un edificio real, que resulta extrapolable a otros edificios. De esta manera, se ha modelado un edificio de oficinas existente que ha sido calibrado con los consumos energéticos registrados, y sobre el que se desarrollan simulaciones energéticas multi-paramétricas (12.600 variables de diseño), para analizar la viabilidad técnica y económica de llevar este edificio a un nivel ZEB en cuatro climatologías europeas. Los resultados muestran cómo, antes de establecer objetivos normativos, sería conveniente estudiar el consumo energético real de los edificios, ya que alcanzar un verdadero ZEB resulta complejo y costoso, con plazos de amortización inasumibles en diversos casos. Por otra parte, se analizan las diferentes estrategias de diseño de edificios para alcanzar los niveles ZEB, y pone en cuestión algunas de las prácticas habituales en el diseño de edificios de oficina. La principal conclusión demuestra cómo el uso de una metodología de diseño coste-óptima, permite diseñar y construir mejores edificios, en base a su ciclo de vida útil.
Palabras clave
ZEB, Eficiencia Energética, Edificios de Energía Cero, Diseño Coste-óptimo, Sostenibilidad
Introducción
Según datos de la Unión Europea (UE) los edificios son responsables del 40% del consumo de la energía primaria y de un 36% de las emisiones de CO2 [1, 2]. Con el objetivo de reducir este consumo y las emisiones GEI asociadas, la Unión Europea publicó la Directiva 2010/31/UE [3], conocida como EPBD (Energy Performance of Building Directive). Uno de los apartados más relevantes de la directiva es el requerimiento de que todos los edificios sean de consumo “casi” nulo, o nearly Zero Energy Buildings (nZEB), para finales del año 2020. El término “casi”, ambiguo e indeterminado, conlleva diferentes interpretaciones entre los agentes del sector, generando confusión en torno a este objetivo. La UE fija un plazo máximo de aplicación, pero deja a criterio de los diferentes Estados Miembro (EM) el establecimiento de las metodologías de aplicación y la definición de objetivos. Pudiendo entenderse el hecho de dar libertad a la hora de fijar objetivos, debido a las diferencias climáticas, económicas o socioculturales entre los diferentes EM, no parece acertado el empleo de una definición tan poco explícita, así como la no definición de una metodología común. De esta manera parece que, en un marco unitario de libre comercio, las reglas de juego no son comunes y no están claras. La publicación de la ISO 52000 pretende encauzar el problema.
Ante esta situación, y con toda Europa construyendo “edificios nZEB” cuando no existe una definición técnica clara y aceptada, los edificios nZEB podrían entenderse como el primer paso hacia el que parece ser el objetivo final, los Zero Energy Buildings (ZEB), los edificios positivos o incluso los edificios neutrales en carbono, objetivo de la UE para el año 2050.
La investigación desarrollada en este trabajo analiza los términos de nZEB y los ZEB, que se usan habitualmente en el ámbito de la edificación. Por otra parte, se analiza, para cuatro climatologías europeas, lo que supone para un edificio alcanzar estos niveles de consumo energético, si resultan un objetivo técnicamente viable, y de ser así, a qué precio.
El estudio presenta un desarrollo para la metodología de cálculo que cita la EPBD, y se pone en práctica en un edificio real de una tipología de oficina. La metodología de cálculo propuesta y su desarrollo, podrá ser replicada en todo tipo de tipologías de edificación para hallar las soluciones coste-óptimas que permitan alcanzar en nivel ZEB, permitiendo así a los Estados Miembro (EM) cumplir con los objetivos de la EPBD.
Estado del arte
Edificios ZEB
Una de las primeras investigaciones en el campo de los Zero Energy Buildings (ZEB) es el «Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition” [4], que los define como edificios capaces de abastecer su demanda energética por medio de recursos renovables de bajo coste, locales y no contaminantes. A la hora de compensar los consumos energéticos por medio de energías renovables, se plantean los siguientes criterios de actuación [4]: Han de priorizarse en primer lugar las estrategias de arquitectura pasiva (reducción de la demanda), seguido del uso de sistemas y equipos de alta eficiencia energética (reducción del consumo), introduciendo después las energías renovables generadas in-situ, para finalmente incorporar energías renovables externas.
En septiembre de 2015 el United States Department of Energy (USDOE) presentó una definición de los ZEB [5] que resulta, hasta la fecha, el trabajo de mayor consenso entre la comunidad científica y agentes del sector. El ZEB se define como “un edificio de alta eficiencia energética en el que, sobre una base de energía primaria (ep), la energía anual importada de la red al edificio (electricidad de la red general, district heating/cooling, combustibles renovables y no renovables) es menor o igual, a la energía renovable generada en la parcela y exportada a la red.
Finalmente, mediante la Recomendación (UE) 2016/1318 de La Comisión de 29 de julio de 2016 [6], se establecen los valores de referencia para los consumos de los nZEB (para vivienda y edificio de oficina), que se pueden observar en la Tabla I. Con la publicación de la ISO 52000 en el año 2017, estos valores parecen haber quedado obsoletos, pero la UE no ha presentado nuevos valores de referencia.
Los enfoques de la UE y el USDOE difieren en algunos aspectos importantes, más allá del objetivo numérico de consumo de energía primaria neta, siendo las más relevantes los conceptos del balance energético, y tipología de balance.
Mientras que la UE tan sólo contempla los consumos de las instalaciones fijas del edificio (calefacción, ACS, refrigeración, ventilación, bombeo e iluminación), el USDOE contempla todos los consumos energéticos. Y mientras que el USDOE contempla un balance que resulta objetivo y claro, en el que la cantidad de energía importada de la red se compensa con la energía producida por el edificio y que es exportada a la red, la UE compensa la energía primaria consumida con energía renovable. Llevar el enfoque de la UE a la práctica y contabilizarlo de manera objetiva resulta complejo, y como apuntan algunos investigadores, el éxito para la implantación de una normativa reside en su claridad y sencillez. Es por esto, que la medición y verificación de consumos resulta uno de los aspectos más importantes de los ZEB. Hasta la fecha se habla de nZEB o ZEB en fase de diseño, testado por softwares de mayor o menor capacidad, en condiciones poco parecidas al uso real de los edificios. Si el objetivo es verdaderamente la reducción del consumo de edificios, la normativa debiera referirse al consumo energético real de los edificios, y sólo tras la verificación de los consumos energéticos alegados por un edificio, deberían otorgársele las siglas de nZEB o ZEB.
Diseño coste-óptimo
De acuerdo al Artículo 5 del Anexo III de la EPBD, el parlamento Europeo suplementa la Directiva en Enero del 2012 mediante los documentos Commission delegated Regulation (EU) Nº 244/2012 [7] y Guidelines accompanying Commission Delegated Regulation (EU) Nº 244/2012 [8]. En ellos se establece el marco metodológico comparativo para calcular los niveles óptimos de rentabilidad de los requisitos mínimos de eficiencia energética de los edificios y de sus elementos. Con el objetivo de adaptar el marco metodológico comparativo a las diferentes circunstancias nacionales, se requiere que los EM:
- Determinen los edificios de referencia por tipología que representen el stock de edificios típico o promedio, para que los resultados sean extrapolables.
- Identifiquen las medidas de eficiencia energética y energías renovables que, desde un punto de vista coste-óptimo, tengan impacto, en el comportamiento energético de los edificios.
- Definan los coeficientes de conversión a energía primaria.
- Definan los costes iniciales, de mantenimiento y repuesto, y el coste derivado del consumo energético.
- Identifiquen el rango coste-óptimo basado en los cálculos de energía primaria y coste global asociados a cada una de las medidas analizadas.
- Definan los valores de calidad del aire interior y otros aspectos de confort, que han de cumplir con los requisitos básicos de las regulaciones nacionales en materia de confort.
Metodología
Esta investigación ha sido desarrollada sobre un edificio de 1973 en desuso, que en el 2008 fue objeto de una rehabilitación integral por parte de la empresa IDOM Consulting, Engineering and Architecture, para convertirlo en su nueva sede en Bilbao. El edificio cuenta con sistemas de alta eficiencia energética como calderas de condensación, producción de agua fría a alta temperatura, vigas frías e inductores. Desde su inauguración en el 2011, se han registrado los consumos energéticos horarios discriminados, con los que Idom ha llevado a cabo un trabajo de gestión energética para reducirlos de manera continuada. De estos datos, se ha seleccionado el periodo de 2013 a 2014 en el que se analizan los consumos horarios discriminados del edificio, y se ha generado un archivo climático específico de ese periodo para llevar a cabo una simulación energética detallada.
Por medio del Design Builder v4.2 el edificio ha sido modelado y calibrado con los consumos energéticos y datos climáticos reales. Una vez alcanzada una calibración horaria mensual detallada, se han introducido estrategias de eficiencia energética para determinar la capacidad ahorro energético que dispone el edificio por medio de mejores prácticas de uso. Sobre el edificio optimizado, se han simulado 4.200 variables de estrategias de eficiencia energética pasivas para determinar el conjunto de variables coste-óptimo de este edificio, para después calcular la inversión necesaria para alcanzar el objetivo ZEB. Este ejercicio se ha realizado para cuatro ciudades con diferentes climatologías europeas: Bilbao (BIO), Sevilla (SEV), Bruselas (BRU) y Estocolmo (EST).
Experimentación
Gestión energética continuada
En los tres primeros años desde su puesta en marcha, el trabajo en la optimización de horarios y consignas de temperatura, y en los algoritmos de funcionamiento de los equipos, ha permitido reducir el consumo energético total del edificio un 24% (de 312,6 kWhep/m².año a 237,6 kWhep/m².año), sin inversión alguna. Estos valores representan el consumo total registrado por el BMS del edificio, y hacen referencia a los consumos energéticos anuales (24 h y 365 días al año, en años que tuvieron una mayor severidad climática).
Modelización, calibración y optimización de uso
Se ha generado un modelo virtual en base a la información de proyecto detallada del edificio, y a datos (de ocupación, consignas, etc.) tomados in-situ. El modelo virtual ha sido después calibrado con los datos de consumo discriminados registrados por el BMS, hasta alcanzar una diferencia de consumo anual entre el edificio real y virtual, inferior al 2% de consumo y de coste (basado en el cálculo de las 8.760 horas anuales).
Sobre este modelo de edificio calibrado, se han planteado estrategias de mejores prácticas de uso para identificar las capacidades de ahorro adicional del edificio, y valorar el impacto de los usuarios en el consumo energético. Mediante un uso optimizado del edificio, manteniendo los niveles de confort internacionales, el consumo energético de las instalaciones fijas (calefacción, ACS, refrigeración, iluminación, ventilación y bombeo), podría reducirse desde los 125 kWhep/m² año hasta los 64,9 kWhep/m² año por medio de tres estrategias:
- Reducción de las infiltraciones en la entrada mediante sustitución de puerta de entrada (8%)
- Normalización de consignas a valores internacionales en todo el edificio (16% adicional)
- Optimización de la iluminación (consignas y periodo nocturno) y subsanación de incidencias (32% adicional)
Diseño coste-óptimo
Sobre el modelo optimizado, se ha desarrollado un estudio de diseño coste-óptimo, con el objetivo de valorar las variables de diseño constructivo óptimas basado en el ciclo de vida de uso del edificio. Esta matriz de variables y los resultados para las cuatro climatologías se encuentran en la Tabla III. La tabla cuantifica la idoneidad de cada una de las variables energéticas de la matriz de simulaciones con respecto al resto de variables analizadas, comparando los resultados promedio (de consumo energético de las instalaciones fijas, y de coste de las variables a 20 años incluyendo la inversión y el coste del consumo energético acumulado) de cada una de las diferentes variables simuladas, con los resultados promedio de todas las simulaciones realizadas. De esta manera, se puede observar el potencial promedio de cada una de estas variables. Estas conclusiones, podrían ser utilizadas como punto de partida de buenas prácticas constructivas, en el diseño y rehabilitación de edificios de oficina para cada climatología. Los valores positivos, identifican aquellas soluciones que representan una mejora respecto a los valores promedio (estrategias recomendadas), mientras que los negativos, representan el incremento de consumo y/o coste (estrategias no recomendadas). Los valores en negrita hacen referencia al modelo de menor consumo energético o menor coste total (coste-óptimo) para cada climatología. En las filas 30 y 31 se encuentran los valores de consumo y coste del promedio de modelos y del modelo coste-óptimo.
Estos resultados demuestran en primer lugar, el diferencial de consumo y coste que existe en los climas de frío severo y, por otra parte, cómo el buen diseño repercute en un ahorro sustancial en el ciclo de vida completo del edificio.
Las Figuras 1 y 2 identifican con cada punto, cada posible combinación de variables de la matriz de la Tabla 3 para la climatología de Estocolmo. Con el consumo energético en el eje abscisa, y coste en el de ordenadas, en la Figura 1 se representa el coste de inversión, o el coste del edificio en el año cero, mientras que en la Figura 2, se analiza el coste de las mismas variables tras veinte años de uso del edificio (el coste total incluye, el coste de inversión y el coste asociado al consumo energético en la operación del edificio). Estas figuras demuestran la utilidad de los análisis paramétricos, en el que se observa que conjuntos de variables que se seleccionarían en el momento de la construcción del edificio por requerir una menor inversión, pudieran no resultar las más apropiadas en el ciclo de vida completo del edificio, por su mayor coste acumulado debido al mayor consumo energético.
Diseño ZEB coste-óptimo
Una vez identificado el rango de soluciones coste óptimas, se puede calcular la inversión en energía renovable necesaria para diseñar un ZEB coste-óptimo. En la Tabla II se analiza tanto la inversión de las variables de eficiencia energética coste-óptimas, como la inversión renovable, si el objetivo ZEB es posible in-situ, tanto bajo el planteamiento de la UE como del USDOE.
Conclusiones
La falta de una definición clara y objetiva de los nZEB genera múltiples interpretaciones y conlleva a que los EM estén actualizando sus normativas energéticas de manera diferente, provocando incertidumbre en el sector de la edificación, y la proliferación de autodenominados nZEB con valores de consumo que no están siendo medidos en edificios en uso. A esta situación, se le añade la falta de metodología y datos de partida para el diseño coste-óptimo de edificios nZEB, como la identificación de los edificios de referencia de cada tipología, el desarrollo de una base de costes de las variables de eficiencia energética y un análisis del periodo del ciclo de vida útil de los edificios, tanto para las estrategias pasivas como activas.
El trabajo llevado a cabo en esta investigación pone en valor la idoneidad del método paramétrico como herramienta de identificación de soluciones coste-óptimas, y los resultados de las simulaciones demuestran que alcanzar valores ZEB en edificios de oficina es técnicamente viable (pese a que el balance ZEB in-situ está condicionado por la climatología y el factor de forma del edificio). Pese a que alcanzar un ZEB en climatologías severas es más complejo y más costoso que en climatologías templadas, la sobreinversión de optar por el modelo coste-óptimo, con respecto al modelo promedio de la Tabla II, se amortizaría en 1.000 años en Bilbao y 53 en Estocolmo, plazos que ponen en cuestión la viabilidad económica de estas intervenciones. Una de las conclusiones más importante derivadas de este estudio es la necesidad de optimizar y operar correctamente los edificios en su fase de uso que, en el caso del edificio analizado, supone un ahorro potencial del 43%.
Las consecuencias de no contemplar un diseño bioclimático quedan reflejadas en Tabla III, en la que se observa que, para todas las climatologías analizadas, un porcentaje de huecos reducido es preferible, no sólo desde el punto de vista coste-óptimo, sino también desde el punto de vista del consumo energético. Este aspecto choca con la tendencia que impera en un gran número de nuevas oficinas alrededor del planeta, con edificios completamente acristalados, independientemente del clima en el que se encuentren. Es relevante el hecho que estos edificios pueden acabar obteniendo una certificación energética clase A, una puntuación máxima en una certificación de edificación sostenible como LEED o BREEAM, autodenominarse ZEB o ser noticia en artículos de prensa avalando su contribución al mundo de la sostenibilidad en la edificación.
La metodología propuesta en esta investigación podría ser replicada en los edificios de referencia, con el objetivo de disponer de datos para las actuaciones, tanto de obra nueva como de rehabilitación, que garanticen soluciones dirigidas a la consecución de edificios nZEB coste-óptimos en las principales tipologías del parque edificatorio del país.
En cualquier caso, si se pretende dar un salto cualitativo en materia de ahorro energético, las simulaciones energéticas deberían emplearse como herramienta para la mejora del diseño de los edificios, mientras que los valores de consumo reales deberían ser medidos y verificados mediante analizadores de redes o contadores inteligentes (con discriminación de consumo) que, por otra parte, serán necesarios en las nuevas propuestas de Smart-Cities. Sólo de esta manera podrá garantizarse un proceso objetivo de descarbonización de las ciudades.
Referencias
- BPIE, Europe’s buildings under the microscope: A country-by-country review of the energy performance of buildings. (2011).
- BPIE, Principles for nearly Zero-energy Buildings. Paving the way for effective implementation of policy requirements. (2011).
- Parlamento Europeo, Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010 relativa a la eficiencia energética de los edificios (2010).
- Torcellini, S. Pless, M. Deru, D. Crawley, Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition (2006).
- S. Department of Energy, A Common Definition for Zero Energy Buildings (2015).
- Comisión Europea, Recomendación (UE) 2016/1318 de la Comisión de 29 de julio de 2016.
- Comisión Europea, Commission Delegated Regulation (EU) Nº 244/2012 (16/01/2012).
- Comisión Europea, Guidelines accompanying Commission Delegated Regulation (EU) Nº 244/2012.