Nuevo edificio de Brigadas de Sant Boi: Máxima cobertura renovable y control energético avanzado - Buscando la máxima eficiencia y resiliencia • CONSTRUIBLE

Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula

Autores

Carlos Alonso Castro, Director Técnico, Cefiner
Zeljko Kulic, Jefe Servicio de Equipamientos Públicos, Ayuntamiento de Sant Boi de LLobregat

Resumen

El Ayuntamiento de Sant Boi de Llobregat ha promovido el proyecto ejecutivo para la construcción de un nuevo edificio de Brigadas. La directriz del ayuntamiento ha sido desde el principio la de diseñar un edificio ejemplar a nivel de comportamiento energético pero también a nivel de resiliencia, dado que los servicios básicos del ayuntamiento (emergencias, brigadas, etc) deberían quedar funcionales en caso de emergencia o catástrofe. En esta comunicación nos centramos en el proceso de diseño a nivel energético, con la idea de obtener un edificio ECCN con calificación energética A e incluso de energía positiva. Como puntos clave del proceso, ponemos de manifiesto la importancia de la ingeniería de energía y de la simulación energética en el diseño de edificios, buscamos la máxima cobertura renovable introduciendo un sistema de almacenamiento en baterías y proponemos un sistema de control avanzado que permita tanto minimizar consumos y costes energéticos como gestionar la resiliencia del edificio. Con este proyecto hacemos patente la relación entre sostenibilidad y resiliencia para edificios y ciudades.

Palabras clave

EECN, Resiliencia, Renovables, Baterías, Control, Simulación, IoT

Introducción

La principal motivación de este proyecto surge de la concienciación de cada vez más instituciones públicas en lo que a la eficiencia energética en los edificios se refiere.

Una de estas instituciones es la Comisión Europea. A finales de 2016 se lanzó desde la Comisión un marco de directivas y reglamentos, llamado Winter Package, dentro del cual se promulgó en 2018 la nueva Directiva de eficiencia energética de los edificios (Directiva UE 2018/844 [2]). Esta nueva directiva incide en la necesidad de mejorar sustancialmente la eficiencia del parque de edificios de la UE para llegar al objetivo de reducción del 40% en las emisiones de gases de efecto invernadero acordada para 2030. Se incide en aspectos como el fomento de la inteligencia de los edificios, el uso de nuevas tecnologías como el Internet of Things, el empoderamiento de los usuarios, la importancia del control y la supervisión del rendimiento, la flexibilidad de demanda y la integración del vehículo eléctrico. Esta directiva deberá transponerse antes de mediados de 2020.

Por su parte, el compromiso con la sostenibilidad del ayuntamiento de Sant Boi de Llobregat data de muchos años. Es la única ciudad que ha recibido en dos ocasiones el Premio a la Ciudad más Sostenible, otorgado por la Fundación Fórum Ambiental con el apoyo del MAPAMA [1]. Sus políticas ambientales priorizan aspectos como la prevención y recogida de residuos, la educación ambiental, la eficiencia en edificios municipales, la monitorización de consumos y la gestión de la contaminación ambiental y acústica.

El ayuntamiento busca, además de la máxima eficiencia, conseguir que los edificios municipales tengan la máxima resiliencia, mediante su Plan Estratégico de resiliencia urbana. La resiliencia urbana es una de las nuevas ramas del urbanismo: construir ciudades que sean capaces de prepararse, resistir y recuperarse de cualquiera amenaza. No por nada, y según la ONU [3], “el 80% de las ciudades más grandes del mundo es vulnerable a los terremotos, el 60% corre el riesgo de marejadas o tsunamis y todas enfrentan los nuevos impactos causados por el cambio climático”. Es por ello que el ayuntamiento de Sant Boi busca incorporar técnicas y tecnologías que permitan mantener en funcionamiento los edificios municipales, y en especial los más críticos (hospitales, servicios de emergencias, etc), ante catástrofes y emergencias.

Ciertamente, como se dejará patente en este artículo, una sostenibilidad elevada implica una mayor resiliencia. Un edificio que es capaz de autoabastecerse es implícitamente resiliente. Por lo tanto, los dos objetivos de este proyecto se entremezclan y se potencian. La búsqueda de la máxima sostenibilidad y eficiencia redundará en aumentar la resiliencia del edificio.

Cefiner, ingeniería de la energía especializada en proyectos integrales en cuanto a eficiencia e incorporación de renovables y vehículo eléctrico, ha participado en el grupo de trabajo BIM creado por el ayuntamiento encargado del diseño del edificio y de la posterior redacción del proyecto ejecutivo. La tarea de Cefiner dentro de este grupo ha sido la de optimizar el comportamiento energético del edificio diseñado. La solución desarrollada ha permitido conjugar y maximizar la eficiencia y la resiliencia del edificio:

mínimo consumo + máxima cobertura renovable + sistema de control avanzado

El proyecto: Diseño energético del edificio

Los objetivos fundamentales que se plantearon a nivel energético desde el ayuntamiento a la hora de iniciar el diseño del nuevo edificio de Brigadas de Sant Boi de Llobregat fueron 4:

Incorporar la eficiencia en todas las etapas de diseño, y enfocar el proceso de manera que facilite la consecución de las certificaciones BREEAM y LEED
Máxima eficiencia: Diseñar un edificio con calificación energética A
Máxima autosuficiencia
Máxima inteligencia y automatización

Estos objetivos, innegociables por parte del cliente, deberían influir muy positivamente en la resiliencia del edificio.

En los siguientes apartados exponemos los aspectos que consideramos claves en el éxito obtenido en la consecución de los objetivos marcados.

Participación de la ingeniería de la energía a lo largo de todo el proceso de diseño

Una de las claves del éxito en la consecución de los objetivos marcados a nivel de diseño energético ha sido la participación de la ingeniería de la energía en todas las etapas de diseño del edificio.

Frecuentemente, en un proceso de concepción de edificios tradicional, desde los departamentos de arquitectura se prioriza la componente estética a los criterios de sostenibilidad, sin prestar atención a la influencia de la forma arquitectónica en el rendimiento energético del edificio. Se confía el confort a los sistemas de climatización. En este proyecto, y gracias a la participación de una ingeniería de la energía en el diseño, se ha buscado dar el enfoque contrario al proceso: la mayor parte del confort se deberá conseguir gracias a la forma, la proporción, los materiales y la orientación elegidos; en menor medida, a los sistemas pasivos, que aprovechan las condiciones climáticas del entorno; y, por último, a los sistemas activos de alta eficiencia alimentados con energías renovables.

Para lograr este enfoque, en el proyecto se ha fomentado y logrado la interacción casi constante entre los actores implicados en el diseño con influencia en el comportamiento energético: arquitectura, instalaciones e ingeniería de energía. Cefiner ha tomado el rol de líder a la hora de las propuestas y la toma de decisiones a nivel energético. Se ha logrado, mediante las herramientas de compartición de información 3D (como Bimsync), que los actores implicados cuenten siempre con la información más actualizada del diseño del edificio, y que pueda haber una realimentación de ideas, propuestas y tests de manera que siempre se avance en el diseño teniendo en cuenta el cumplimiento de los 4 objetivos fundamentales indicados más arriba.

Un ejemplo de la participación de Cefiner en el diseño es la selección, en fase de anteproyecto, del modelo arquitectónico que se desarrollaría de entre las 3 propuestas de arquitectura, en base a criterios de eficiencia y adecuación a las renovables. Las 3 propuestas se muestran en la Figura . La tabla siguiente muestra los criterios que se han seguido para eliminar cada una de las 2 propuestas desechadas:

Tabla I. Criterios de selección del modelo arquitectónico ejecutado.

Figura 1. Modelos arquitectónicos 1 (arriba izq.), 2 (arriba dcha.) y 3 (abajo) presentados por arquitectura.

Durante el resto del proceso del diseño, Cefiner ha seguido asesorando y participando en las decisiones con impacto en el comportamiento energético del edificio. Algunos ejemplos de estas decisiones serían:

Mejora de las transmitancias de los cerramientos de la piel del edificio
Optimización del tamaño de los huecos en fachada
Selección de las tecnologías de clima y generación ACS
Situación de las instalaciones en cubierta

La simulación energética como herramienta fundamental

Una de las grandes ventajas de la metodología BIM es el hecho de diseñar y compartir la información en formato 3D. El paso de 2D a 3D es fundamental a la hora de integrar y verificar las aportaciones de cada uno de los actores en el diseño del edificio. El trabajo en 3D simplifica el intercambio de información entre los diferentes actores implicados en el diseño y facilita la simulación energética. Todos los actores hablan el mismo lenguaje 3D.

La simulación energética, gracias a la potencia de los ordenadores actuales, se está convirtiendo en una herramienta básica y accesible para conocer el comportamiento energético de edificios. La potencia de los simuladores dinámicos, y en especial de los basados en el motor Energyplus, permite obtener resultados detallados y precisos.

En el proyecto que nos incumbe, la simulación energética del edificio en diseño se ha ido utilizando desde las primeras etapas hasta las últimas, introduciendo los cambios y modificaciones que van apareciendo en el diseño en cada etapa. La simulación se convierte en una herramienta fundamental para la optimización del diseño energético del edificio. Ha permitido:

Seleccionar la opción arquitectónica óptima entre las propuestas por arquitectura.
Simular en detalle el comportamiento energético que tendrá el edificio. Esto nos ha permitido calcular la curva de carga eléctrica hora a hora, permitiendo discriminar los consumos estimados de los diferentes equipos. Así, ha sido una herramienta primordial a la hora de diseñar y dimensionar los sistemas fotovoltaico y de almacenamiento con baterías y a la hora de dimensionar el suministro eléctrico o el generador de emergencia.

Figura 2. Perfiles tipo de consumo horario, con discriminación por tipo de equipos, en invierno (izq.) y en verano (dcha.).

Obtener la calificación energética del edificio con las diferentes opciones de materiales e instalaciones estudiadas, y guiar el diseño hacia el objetivo de obtener la calificación A.

Máxima cobertura renovable: fotovoltaica + baterías

Para poder satisfacer el requisito del cliente de obtener una máxima autosuficiencia, al mismo tiempo que se influye decisivamente en la consecución de una calificación energética A e incluso un balance energético positivo del edificio (genera más energía de la que consume), se ha optado por diseñar una instalación fotovoltaica de autoconsumo complementada con una instalación de baterías de Li-ion para almacenamiento.

Durante el diseño, se ha debido llegar a un compromiso entre las expectativas del cliente (un 100% de autosuficiencia) y el precio de la instalación. Debido a que el edificio contará con una flota de vehículos eléctricos y 16 cargadores, y que estos vehículos se cargaran en parte en horario nocturno, obtener una cobertura renovable del 100% a base de baterías encarece mucho la instalación (hay que pensar también que el espacio para fotovoltaica es limitado). En las siguientes figuras se observan los parámetros principales considerados en el cálculo de las instalaciones fotovoltaica y de baterías. Se han empleado softwares de simulación como PVSyst y Homer para obtener comportamientos de FV y baterías:

Figura 3. % cobertura renovable, precio del kWh entregado y coste total de la instalación para diversas potencias de FV y diversos tamaños de batería.

Se observa por una parte cómo es muy costoso llegar a obtener valores cercanos al 100% de cobertura renovable. Y por otra, muy importante, que con los precios actuales de baterías (se han considerado 400 €/kWh), instalaciones muy grandes (y por lo tanto con elevada cobertura renovable) dejan de ser rentables, pues el precio del kWh entregado es superior al de electricidad de la red (unos 0,1 €/kWh para tarifa 3.0A).

Para maximizar la instalación fotovoltaica se ha utilizado la cubierta (respetando los requisitos estéticos de arquitectura), la parte alta de la fachada y marquesinas que servirán para cubrir el parking. Se obtiene una instalación de 99,5 kWp, que generará 138 MWh/año. En cuanto a la instalación de baterías, se ha diseñado un sistema de 140 kWh de capacidad, con un cargador bidireccional de 100 kW.

Figura 4. Instalación fotovoltaica de 99,5 kW proyectada (izq.). Curvas de carga y de generación y curva de carga resultante (naranja).

Control energético avanzado: gestión de la demanda + IoT

El último elemento clave para cumplir con los objetivos marcados ha sido el diseño y prescripción de un sistema de control energético avanzado para el edificio. Este sistema está compuesto por varios niveles: un control local en el edificio, que se encarga de la gestión automática del mismo, un nivel cloud que permite el almacenamiento seguro y el tratamiento de datos, aplicando IA, y un nivel de aplicación web, que actúa como interfaz de usuario y que permite el control remoto desde cualquier lugar mediante internet. Este tipo de sistema permitirá lograr varios hitos:

Realizar una gestión automática de la demanda que permita minimizar los consumos y costes
Optimizar la cobertura renovable mediante el desplazamiento de cargas, en especial el vehículo eléctrico
Aplicar estrategias de peak shaving que permitan reducir costes por potencia
Gestionar la resiliencia del edificio, alargando la autonomía del mismo

El diseño del sistema de control está basado en el sistema Quantum Smart Energy de Cefiner, un sistema de control que permite la gestión de la demanda, utilizando un concepto IoT y Cloud, gestionando automáticamente mediante algoritmos de optimización energética cargas como la iluminación, climatización, ventilación y el vehículo eléctrico.

Las principales funcionalidades de control previstas para el edificio son las siguientes:

Gestión de la climatización en función de horario, presencia, temperatura de consigna eficiente.
Gestión de la ventilación por calidad de aire. Freecooling. Gestión de la ventilación natural del patio interior.
Gestión de la intensidad de la iluminación. Control por horario y presencia.
Gestión de la carga del vehículo eléctrico. Prioridad a la carga “solar”. Modulación de la carga para evitar excesos de potencia. Cargas prioritarias
Diversas estrategias con baterías: Máximo aprovechamiento fotovoltaico, mínimo precio, peak shaving, reserva de emergencia.
Gestión del edificio en modo emergencia: Funcionamiento modo SAI, reducción de consumos no indispensables, gestión de los suministros en emergencia (baterías, solar, generador).
Alarmas ante cualquier funcionamiento incorrecto o avisos de mantenimiento predictivo.

Este sistema permitirá, además, incorporar al edificio a estrategias de flexibilidad y agregación de demanda en un futuro. Como último apunte, indicar que un sistema de control energético es esencial para un buen mantenimiento de las instalaciones, permitiendo el mantenimiento predictivo.

Resultados

Resumimos los resultados principales en la siguiente tabla:

Por lo tanto, podemos afirmar que se han cumplido los objetivos marcados por el cliente.

Conclusiones

Es sencillo conseguir EECN con un adecuado proceso de diseño. La ingeniería energética debe participar en todas las etapas del diseño. Con un esfuerzo adicional en la selección de materiales e instalaciones la calificación A es relativamente fácil.
La metodología BIM ayuda a conseguir esta máxima sostenibilidad gracias al potente intercambio de información 3D entre actores implicados.
Sostenibilidad y resiliencia están íntimamente relacionadas. La resiliencia urbana se presenta cada vez más necesaria.
Es posible obtener una elevada autosuficiencia en los edificios mediante sistemas de almacenamiento y control. El almacenamiento, sin embargo, aún no es suficientemente rentable en muchos casos.
Los sistemas de control energético constituirán la base tecnológica a nivel de energía de los edificios del futuro cercano. Permitirán gestionar automáticamente el edificio, pero también realizar un correcto mantenimiento y supervisión de las instalaciones.

Agradecimientos

Nos gustaría agradecer a nuestros compañeros de equipo BIM, en especial a instalaciones y arquitectura, su inestimable apoyo y trabajo en pos de lograr los objetivos marcados.

Referencias

Ecopost
DIRECTIVA (UE) 2018/844 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 30 de mayo de 2018 por la que se modifica la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios y la Directiva 2012/27/UE relative a la eficiencia energética.
Unhabitat