Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Alberto Ortiz de Elgea, Responsable de Innovación y Sostenibilidad, VISESA
- David Grisaleña, Técnico de Innovación y Sostenibilidad, VISESA
- Patxi Hernández, Investigador Eficiencia Energética, TECNALIA
- Beatriz Sanchez, Investigadora Eficiencia Energética, TECNALIA
Resumen
Este artículo presenta los resultados de uso y operación del edificio de 171 viviendas sociales en Salburua (Vitoria-Gasteiz), diseñado según criterios de eficiencia energética y aprovechamiento de energía renovable. Se observa que los consumos son significativamente menores a los esperados en fase de proyecto, especialmente en términos de consumo de calefacción, a lo que ha colaborado la gestión individual de los vecinos, facilitada mediante la provisión de sistemas de control y gestión de su demanda individual. Se presenta y discute el modo en el que las inversiones adicionales en edificios de consumo de energía casi nulo se trasladan en beneficios económicos para los habitantes durante los años de operación, y en beneficios ambientales cuando se considera todo el ciclo de vida.
Palabras clave
Operación, Uso, Viviendas Sociales, Consumo Energético Casi Nulo, Análisis Económico, Ciclo de Vida, Ciclo de Costes
Introducción
El sector de la edificación es clave en el cumplimiento de los objetivos de emisiones de gases de efecto invernadero de la unión Europea, y las directiva de eficiencia energética en edificación marca objetivos claros en este aspecto, exigiendo diseño de nuevos edificios de energía “casi nula” a partir de 2020. Sin embargo, un aspecto que no se trata con la misma atención, pero que es de vital importancia, es el comportamiento real de los edificios, los datos de su operación y uso, y el análisis y comprobación de que los resultados en cuanto a comportamiento energético responden a las expectativas de diseño.
Esta comunicación describe los resultados de operación y uso de energía en el edificio de 171 viviendas sociales en Salburua (Vitoria-Gasteiz), fue diseñado según criterios de eficiencia energética y aprovechamiento de energía renovable, incluyendo instalaciones de cogeneración y una instalación fotovoltaica. El edificio dispone asimismo de un sistema avanzado de gestión y monitorización de instalaciones que permite conocer la operación y el uso de energía tanto a nivel de edificio como de vivienda individual.
En los resultados de la monitorización de los primeros años de operación de este edificio, se ha podido observar cómo los datos totales de consumo del edificio son similares a los esperados en fase de proyecto. Estos buenos resultados, se deben en parte a un cuidadoso uso de la calefacción y ACS, que se facilita mediante la provisión a cada vecino de un sistema adicional de control y gestión de su demanda de calefacción y ACS. Este sistema consiste en una aplicación informática a través de la cual se realiza el pago anticipado de estos servicios.
Incluso en casos como este, donde se espera un control cuidadoso del consumo por parte de los usuarios, existen igualmente grandes diferencias entre el consumo energético de los diferentes vecinos. Un análisis de estas diferencias y su comparación con edificios sin sistemas de gestión individual es presentado en este artículo.
Con los datos reales de operación y uso del edificio se realiza asimismo un análisis ambiental y económico, en el que se ha tenido en cuenta tanto la inversión inicial, como las actuaciones de uso, operación y mantenimiento del edificio. A partir de este análisis, se visualiza y comenta la importancia relativa del uso y operación del edificio respecto a las otras fases del ciclo de vida de edificio, y en particular se contrasta como la mayor inversión inicial del edificio por parte del promotor, se traslada en beneficios económicos para los habitantes durante los años de operación del edificio.
Descripción del edificio y detalles de operación de instalaciones energéticas
El edificio de 171 viviendas sociales en Salburua (Vitoria-Gasteiz) ha sido diseñado según criterios de eficiencia energética, aprovechamiento de energía renovable y sostenibilidad; y pretende aportar el máximo confort a sus habitantes con el mínimo consumo energético.
Las fachadas se componen de paneles prefabricados de hormigón trasdosados al interior con panel de cartón yeso y altos niveles de aislamiento, llegando a un valor de transmitancia de 0,35 W/m2K. Se ha prestado especial atención al correcto aislamiento en los cantos de los forjados en el encuentro con los paneles de hormigón con el objeto de minimizar los puentes térmicos, y a los encuentros de carpintería exterior con fachada. Las carpinterías exteriores son de aluminio con marcos cuya transmitancia es de 1,9 W/m2K. El conjunto de marco y vidrio presenta una transmitancia para el hueco de 1,5 W/m2K. En el caso de la cubierta, la transmitancia es inferior 0,24 W/m2K, siendo todos estos valores por debajo de las exigencias normativas vigentes en ese momento. Para asegurar una buena calidad del aire interior y el confort de los usuarios se ha instalado un sistema de ventilación mecánica controlada de doble flujo con recuperación de calor y módulos de regulación en las entradas y salidas (locales húmedos) del aire, lo que permite un mayor ahorro energético.
Asimismo, se han cuidado las posibles pérdidas energéticas por infiltraciones de aire, prestando especial atención a los principales puntos de fuga a través de grietas de las viviendas (juntas de suelos/techos con paredes, juntas de puertas y ventanas y pasos de instalaciones) y se han realizado sellados para reducir dichas infiltraciones.
Las instalaciones energéticas se componen de dos calderas de gas natural de alto rendimiento y 240kW cada una, complementadas por dos motores de cogeneración con una potencia eléctrica de 5,5 kW y una potencia térmica de 12,5 kW cada uno. El edificio también integra una instalación fotovoltaica con una potencia pico de 59 kW, que cubre 430 metros cuadrados en la fachada sur.
Para una operación eficiente de las instalaciones, se dispone de un sistema de monitorización de producción y consumos por cada elemento de generación, e individual de consumos de calefacción y ACS. Se diseñó y desarrolló asimismo un sistema de predicción demanda energética del bloque de viviendas, y un algoritmo de gestión y operación de los motores de micro‑cogeneración. Estos datos son accesibles para el gestor del edificio y el propietario de las instalaciones, a través de una aplicación web.
Paralelamente al sistema de gestión de instalaciones, el edificio cuenta con un sistema para facilitar la participación de los habitantes en la gestión energética de sus consumos de energía térmica. El sistema consiste en una aplicación accesible para cada vecino individualmente a través de una pantalla táctil ubicada en su vivienda. La aplicación permite al usuario un conocimiento instantáneo de su consumo de energía térmica, tanto en agua caliente como en calefacción, y gestionar los pagos de energía de acuerdo a sus capacidades y necesidades, efectuando un prepago de los consumos energéticos. El usuario tiene un conocimiento en tiempo real de su consumo en los diferentes usos de energía térmica y puede decidir, de esta manera, pautas de comportamiento de cara a optimizar su consumo. La interacción y gestión de pagos se realiza de manera rápida y simple a través de la mencionada aplicación.
Resultados de operación y uso energético del edificio
Teniendo en cuenta que las principales inversiones realizadas han sido sobre las características pasivas de la vivienda para reducir la demanda de calefacción, a continuación se va a analizar y comparar los consumos de calefacción reales, frente a los consumos de diseño y los calculados para la certificación energética. Durante la redacción del proyecto constructivo se estimaron los consumos de calefacción a través del lanzamiento de simulaciones con el software DesignBuilder, partiendo de los datos de transmitancia expuestos en el punto anterior. Estos consumos pueden ser ahora comparados con los consumos reales obtenidos gracias al sistema de monitorización instalado en el edificio, y con los consumos estimados en el informe de Certificación Energética del edificio terminado. De esta manera obtenemos la siguiente comparativa:
Como se puede apreciar en la figura 3, los datos de calefacción han resultado ser mucho menores que los calculados inicialmente. Este hecho es debido principalmente a varios factores determinantes: por un lado, al tratarse de viviendas sociales para personas con bajos ingresos, muchos usuarios han optado por reducir el uso de la calefacción al mínimo para, de esa manera, reducir la factura a pagar por este concepto; por otro lado el sistema de autogestión energética con prepago ha permitido a los usuarios ser conscientes de sus consumos y así manejarlos y adecuarlos a sus propias circunstancias personales; y finalmente un año climatológicamente benévolo a nivel de temperaturas, siendo uno de los más calurosos de la historia según los registros actuales.
Como se puede observar en la figura 4, un número elevado de viviendas, (en torno al 60%) tienen un consumo anual en calefacción menor de 1,000 kWh, y cerca del 40% de viviendas tienen un consumo anual en calefacción menor de 500 kWh. Estos valores de calefacción, por debajo de 10kWh/m2año, ciertamente pueden considerarse “casi nulos” para un clima como Vitoria – Gasteiz (zona climática D1), y son mucho más bajos que los usos energéticos para ACS, que en estas viviendas rondan los 1,700 kWh anuales.
Entre otras cosas, el análisis de los resultados abre varios debates interesantes acerca de la vertiente cultural del concepto de confort y cómo éste debería influir en el diseño de viviendas sociales; cómo enfocar el control y gestión de instalaciones y sobre la conveniencia de la centralización en distribución de calor. También aporta información sobre la necesidad de contemplar a largo plazo los efectos que el cambio climático puede tener sobre los parámetros de diseño de las edificaciones de consumo casi nulo.
En cuanto a la operación de las instalaciones energéticas, los motores de micro – cogeneración operan siguiendo la demanda térmica de calefacción y ACS, funcionando de manera constante contra depósito. Por su parte, las calderas operan en cascada, en función de la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior de la vivienda. En la práctica, se han encontrado barreras legales para su operación ya que la legislación no permite usar dispositivos de micro – cogeneración para el autoconsumo, y para lograrlo deberían estar aislados de la red principal, no siendo este el caso.
La instalación fotovoltaica, por su parte, consiste en 430 m2 de superficie de captación, cubierta por 256 paneles agrupados en 12 inversores monofásicos de 5kW con una potencia pico nominal total instalada de 59 kWp. Esta instalación ha supuesto una generación total para el año 2016 de 36 MWh. Inicialmente se diseñó la instalación para venta primada de la electricidad, pero durante el proceso de ejecución de la obra se suprimieron los incentivos económicos, lo que afectó gravemente a la rentabilidad prevista. Se valoró rediseñar la instalación para autoconsumo, pero los múltiples inconvenientes encontrados decantaron la decisión hacia mantener incial. La retribución recibida es la resultante del precio de mercado (aprox 5 €/MWh), muy inferior a la retribución prevista inicialmente con primas.
Evaluación económica y ambiental de uso respecto a la inversión
Para evaluar la relevancia del uso y operación del edificio en relación a su construcción, tanto en la dimensión económica como ambiental, se ha realizado un análisis de ciclo de vida (ACV), y un análisis de ciclo de costes de ciclo de vida (ACCV). El ACV es una herramienta metodológica, se desarrolló a través de los años setenta y ochenta, y se ha utilizado para la evaluación del impacto ambiental en proyectos de construcción desde los años 90 ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.. El ACV sirve para medir el impacto ambiental de un edificio a lo largo de todo su ciclo de vida (desde que se obtienen las materias primas hasta su fin de vida). El ACCV permite una evaluación económica del edificio en su ciclo de vida, se puede llevar a cabo paralelamente al análisis ambiental. Estas herramientas permiten, entre otras cosas, como inversiones iniciales adicionales en edificios de consumo de energía casi nulo, pueden trasladarse en beneficios económicos para los habitantes durante los años de operación, y en beneficios ambientales cuando se considera todo el ciclo de vida.
La norma UNE-EN 16627:2016 – “Sostenibilidad en las obras de construcción. Evaluación del comportamiento económico de los edificios. Métodos de cálculo” y la norma UNE-EN 15978:2012 – “Sostenibilidad en la construcción. Evaluación del comportamiento ambiental de los edificios. Método de cálculo”, describen los principales pasos para una evaluación del impacto del ciclo de vida de los edificios y proporcionan una guía para la cuantificación de los impactos ambientales y económicos. Los cálculos presentados en esta sección muestran el ACV y ACCV para el edificio A-32 considerando una vida útil de 50 años del edificio, valor usado habitualmente en estudios de ciclo de vida de edificios (Malmqvist et al, 2011). En la definición de los parámetros y límites del sistema a analizar, hay que simplificar varios otros aspectos de acuerdo con su relevancia (Oregi et al, 2017). Los límites del sistema analizado para la A-32 incluyen las fases de fabricación de productos y construcción del edificio, y el uso y operación del edificio se limita a la energía empleada para climatización y agua caliente sanitaria, simplificando de esta manera el análisis en función de la relevancia de las distintas fases del ciclo de vida y de los aspectos más relevantes a analizar en relación al diseño del edificio, dejando aspectos como el uso eléctrico individual que es más independiente del diseño del edificio.
En términos generales, los resultados de ACV muestran que los impactos ambientales están dominados por la etapa de producto, es decir, la fabricación de productos y la construcción del edificio, siendo esta la mayor contribuyente al impacto ambiental a lo largo del ciclo de vida. Esto supone una diferencia considerable con edificios convencionales o de antigua construcción, en la que la fase de uso es la principal contribuyente a los impactos ambientales de un edificio a lo largo de su ciclo de vida, debida principalmente al alto uso de energía para su climatización.
La figura 5 representa las emisiones de CO2 equivalente asociadas al caso de estudio en kg/m2 de superficie climatizada durante una vida útil de 50 años, calculadas a partir de los datos monitorizados de demanda energética del edificio.
En cuanto al análisis económico, la fase de construcción del edificio es responsable de más del 70% del coste total del mismo durante su vida útil (50 años), seguida por la fase de operación, donde el gasto energético representa cerca del 15% del total de costes del ciclo de vida. Es importante destacar de nuevo la gran importancia de la inversión inicial en los edificios de energía casi nula, donde las inversiones realizadas suponen un menor peso final de la fase de operación del edifico, en la que los gastos energéticos son muy bajos.
Si nos centramos en las inversiones llevadas a cabo, es interesante indicar en este aspecto, que la inversión adicional en instalaciones (0,43 %) y mejoras energéticas del edificio (2,51%), que ascienden a un 2,94% de la inversión inicial, repercuten en unos ahorros de energía para el usuario del 67%. Comparando con un edificio tradicional, el retorno económico de la inversión adicional sería de 6 años, y lo que es más importante, repercute en el usuario final, en este caso, los ocupantes de las viviendas sociales. Los datos muestran, por tanto, que es posible construir viviendas eficientes energéticamente (cumpliendo las exigencias europeas para 2020) con un coste similar al de las viviendas sociales que promueve actualmente Visesa y consiguiendo ahorros cercanos al 70% para sus futuros usuarios/as.
Discusión y conclusiones
El edificio A-32 fue construido con especificaciones muy superiores a edificios de su entorno (viviendas sociales) en términos de eficiencia energética e integración de energías renovables. El edificio se dotó asimismo de avanzados sistemas de control y gestión de las instalaciones, y de un sistema de autogestión del consumo y gasto en energía para los usuarios.
En este sentido, se contribuye a reducir en gran medida los impactos ambientales de la fase de uso, hasta el punto poco habitual en el que la fase de construcción del edifico pasa a ser la mayor responsable de los impactos ambientales del ciclo de vida del edificio. Esta observación es de gran interés puesto que, en un futuro en el que la mayoría de edificios deberán tener prestaciones superiores o similares a éste en cuanto a comportamiento energético en fase de uso, deberá prestarse progresiva atención a los materiales y procesos de construcción si se quiere reducir aún más los impactos ambientales.
Otro factor muy interesante en cuanto al análisis económico del edificio, se refiere a cómo una mayor inversión inicial se traduce en beneficios para el usuario.
La reducción de la demanda de calefacción para el edificio A-32 en fase de diseño fue en torno al 51% en comparación a un edificio convencional según los estándares del Código Técnico de Edificación (CTE).
Tal y como se ha comentado anteriormente, la producción energética de los paneles fotovoltaicos instalados en la fachada sur del edificio se inyecta en la red de la compañía suministradora y se vende a precio de mercado eléctrico. Tal y como Visesa hace en otros edificios que gestiona, la decisión es hacer partícipes a los vecinos de los beneficios obtenidos por ello. Sin embargo, la nueva ley ha hecho que actualmente el balance económico sólo permita sufragar el mantenimiento de la instalación. En un futuro, si la normativa vuelve a favorecer la generación renovable, los vecinos podrán beneficiarse de ello.
Agradecimientos
Los autores agradecen la financiación recibida del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea, dentro del contrato número 754174, correspondiente al proyecto proyecto AZEB “Affordable Zero Energy Buildings”. El proyecto trata del desarrollo de una metodología para disminuir el coste global de ciclo de vida de edificios cero energía.
Referencias
- MALMQVIST, T.; GALUMANN, M.; SCARPELLINI, S.; ZABALZA, I.; ARANADA, A.; LLERA, E.; DIAZ, S. Life cycle assessment in buildings: The ENSLIC simplified method and guidelines. Energy 2011, 36, 1900–1907.
- OREGI, X., HERNANDEZ, P., HERNANDEZ, R., (2017) Analysis of life-cycle boundaries for environmental and economic assessment of building energy refurbishment projects, Energy and Buildings 136, 12-25