Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Salvador Merino Córdoba, Prof. Titular de Universidad, IDEE, Universidad de Málaga
- Francisco Guzmán Navarro, Prof. Titular de Universidad, IDEE, Universidad de Málaga
- Miguel Ángel Martínez Bohórquez, Prof. Titular de Universidad, Universidad de Huelva
- Sergio Gómez Melgar, Prof. Asociado, Dr., Universidad de Huelva
- José Andrés Gil Ávila, CEO, Otium Home
- Álvaro de Luna Albella, Arquitecto, Estudio de Luna
- José Manuel Andújar Márquez, Catedrático, Universidad de Huelva
Resumen
A partir de un nuevo concepto de vivienda sostenible, se está llevando a cabo la construcción de un conjunto de 4 villas de lujo boutique, vanguardistas, eco-eficientes y de diferente diseño, enclavado en el entorno privilegiado del Triángulo de Oro, Marbella-Estepona-Benahavis (Costa del Sol, España). Para el diseño y construcción de las viviendas se está aplicando metodologías surgidas de la investigación en eficiencia energética, energías renovables y domótica desarrollada en las Universidades de Málaga y Huelva. Este trabajo muestra dicha metodología que desarrolla el diseño, proyecto y construcción de edificios de consumo de energía mínimo en clima subtropical, mucho más complejo de tratar que aquellos que se desarrollan en climas fríos o tropicales, y presenta un ejemplo práctico de aplicación.
Palabras clave
Vivienda, Sostenibilidad, Energía, Eficiencia, Domótica, Construcción
Introducción
El sector de la edificación es responsable de aproximadamente el 40% del consumo total de energía en la Unión Europea (UE). Este porcentaje puede ser extrapolado prácticamente a casi cualquier zona desarrollada del planeta, de ahí que el análisis de la problemática de reducción del consumo de energía en la edificación sea un asunto de la máxima actualidad. Sin embargo, la mayoría de los estudios que se llevan a cabo se centran en el análisis del problema en latitudes con clima frío (Hamilton, I.G., Summerfield, A.J., Shipworth, D., Steadman, J.P., Oreszczyn, T., Lowe, R.J., 2016, Energy efficiency uptake and energy savings in English houses: A cohort study, Energy and Buildings, 118, p. 259-276 y Richman, R., Simpson, R., 2016, Towards quantifying energy saving strategies in big-box retail stores: A case study in Ontario (Canada), Sustainable Cities Soc., 20, p. 61-70).
En él, la mayor parte del año el problema a resolver es evitar que el calor escape del edificio. Del mismo modo, en clima tropical o muy cálido el problema a resolver es el contrario, esto es, evitar que el calor exterior entre en el edificio (AlAjmi, A., Abou-Ziyan, H., Ghoneim, A., 2016, Achieving annual and monthly net-zero energy of existing building in hot climate, Applied Energy, 165, p. 511-521 y Saber, E.M., Tham, K.W., Leibundgut, H., 2016, A review of high temperature cooling systems in tropical buildings, Building and Environment, 96, p. 237-249). Sin embargo, en clima subtropical templado, como es el caso de los países ribereños del mar Mediterráneo, el problema a resolver es mucho más complejo, ya que, dependiendo de la época del año, el flujo del calor a través de la envolvente del edificio se mueve hacia dentro o hacia afuera, de modo que el edificio ha de funcionar unos meses del año como en clima frío y otros como en clima tropical. Lograr esto desde un punto de vista únicamente arquitectural, con criterios pasivos, no es sencillo, ya que en el caso de una vivienda por ejemplo, el aislamiento provoca que en los meses cálidos las propias cargas internas generadas por radiación solar, iluminación artificial, electrodomésticos, cocina, ocupación, etc., agraven el problema.
Otium Pernet ha hecho suya la reciente metodología uhuMEB (Gómez, S., Martínez, M. A., Andújar, J. M., 2018, uhuMEB: Design, construction and management methodology of minimum energy buildings in subtropical climate, Energies, in press.), que propone el diseño, construcción y operación de edificios de consumo de energía mínimo (MEB) en clima subtropical. El concepto MEB (mínimum energy building) generaliza el comercial nZEB (near zero energy building), que a su vez es una concreción del más antiguo ZEH (zero energy house) (Esbensen, T.V., Korsgaard, V., 1977, Dimensioning of the solar heating system in the Zero Energy House in Denmark, Solar Energy, 19, p. 191-200), actualizado hace unos pocos años como ZEB (zero energy building o incluso net zero energy building) (Sartori, I., Napolitano, A., Voss, K., 2011, Net zero energy buildings: A consistent definition framework, Energy and Buildings, 48, p. 220-232).
El concepto MEB es de aplicación a un edificio de consumo de energía mínimo, de consumo neto de energía cero o incluso generador neto de energía, siempre y cuando el edificio esté optimizado arquitecturalmente desde un punto de vista pasivo, esto es, sin tener en cuenta las instalaciones; por tanto y utilizando la nomenclatura al uso, un MEB es en su escalón más bajo un nZEB. A partir de aquí y empleando exclusivamente sistemas de energía renovable, el MEB puede llegar a consumo neto nulo o a generar más energía de la que consume. Esto quiere decir que en un edificio Otium Pernet el desperdicio de energía no está permitido, incluso si ésta es producida de forma renovable. Operar un edificio desperdiciando energía, además de ser una práctica medioambiental incorrecta, puede incrementar el coste del edificio, la complejidad de sus instalaciones y sus costes de mantenimiento.
El proyecto y construcción de un edificio Otium Pernet requiere un compromiso entre arquitectura e ingeniería, con una concepción global del proceso, sin parches ni compartimentos estancos, sino trabajando en equipo bajo una estrategia holística que permita conseguir la máxima sinergia entre todo lo concerniente al edificio: envolvente, instalaciones, domótica, análisis de datos, etc. El edificio Otium Pernet, gracias a su excelente envolvente protectora, lleva a cabo el mejor aprovechamiento de la energía del sol, e incluso del calor corporal de sus habitantes y el residual de sus electrodomésticos en los meses fríos, pero a la vez, gracias a su diseño y control domótico, extrae ese calor ya no deseable en los meses cálidos y aísla la vivienda del calor ambiente, lo cual permite cumplir el funcionamiento esperado de un edificio en clima subtropical.
Este trabajo se centrará en aspectos metodológicos que permitan comprender el procedimiento y las exigencias del mismo para que el resultado final (edificio entregado y operado) cumpla los requisitos de diseño y proyecto. Por supuesto, dependiendo del proyecto, las soluciones constructivas y de instalaciones podrán ser diferentes, aunque eso sí, los parámetros de eficiencia energética a cumplir y desgranados en este trabajo han de ser satisfechos.
Material y métodos
Los requisitos energéticos del edificio Otium Pernet se recogen en la Tabla I.
Desde la fase de diseño, el proyecto se enmarca en el concepto BIM (building information modeling) o modelo de información para la edificación (Eguaras-Martínez, M., Vidaurre-Arbizu, M., Martín-Gómez, C., 2014, Simulation and evaluation of building information modeling in a real pilot site, Applied Energy, 114, p. 475-484). BIM es ya un estándar de facto configurado en base a potentes herramientas informáticas que permiten tomar decisiones en tiempo real en todas las fases: proyecto, construcción y operación del edificio. Basado en el estándar BIM, el LOD (level of development) de cada una de las etapas presentadas en la Tabla I es 200 (representado como un sistema objeto o montaje genérico, con cantidades, tamaños, formas, localizaciones y orientaciones aproximadas), 300 (representado como un sistema objeto o montaje específico, con cantidades, tamaños, formas, localizaciones y orientaciones también especificadas) y 400 (representado como un sistema objeto o montaje específico, con cantidades, tamaños, formas, localizaciones y orientaciones también especificadas; además contiene información detallada de fabricación, montaje e instalación). Las columnas de la Tabla I representan una metodología de obligado cumplimiento secuencial, de modo que hasta que no se satisfagan los requerimientos energéticos de la columna 1 no se puede pasar a la 2, y así sucesivamente. Por supuesto y aunque sería lo ideal, el recorrido de columna a columna no será siempre de izquierda a derecha durante todo el proyecto, ya que a veces será necesario volver atrás para rediseños. Piénsese por ejemplo en el caso que como consecuencia de un requerimiento concreto de sistemas de energías renovables (SER), hubiera que volver de la columna 2 a la 1 para rediseñar arquitecturalmente por falta de espacio en cubiertas. Los parámetros reflejados en la última columna de la Tabla I cuantifican los criterios cualitativos publicados en la Directiva de la UE 2018/31/UE, que modifica la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios y la Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética. Como se sabe, los respectivos gobiernos europeos aún no han llevado a cabo cuantificaciones al respecto, con lo cual, hoy en día se suele trabajar, en el mejor de los casos, con parámetros suministrados por institutos privados, como Passivhaus, por ejemplo. Los parámetros con los que trabaja Otium Pernet en sus edificios son aún más restrictivos que los publicados por los institutos privados actuales de referencia. A continuación, se analizan cada una de las etapas (columnas) de la Tabla I.
Diseño de arquitectura
Los parámetros y sus valores son los siguientes: soleamiento (se han de evitar ganancias solares por radiación directa durante los meses cálidos y se ha de provocar justamente lo opuesto durante los meses fríos); transmitancia de la envolvente térmica Ue (valor U combinado de la envolvente abierta y opaca) menor de 0.8 m2/m3; factor de forma F (ratio entre la envolvente exterior y el volumen interno encerrado) menor de 0,8 m2/m3; estanqueidad de la envolvente sin puntos de infiltración, de modo que se obtengan menos de 0,6 renovaciones de aire por hora a 50 pascales de presión diferencial en un ensayo de estanqueidad; ventilación natural Sof, mayor de 0,1 m2/m2, medida como el ratio entre superficie construida y practicable mayor de 0,05 m2/m2; e iluminación natural Sgf, medida como el ratio entre superficie acristalada y construida mayor de 0,1 m2/m2 .
Diseño de ingeniería: instalaciones y sistemas
La mayor parte de las instalaciones y sistemas han de ser diseñados, aunque otros serán directamente adquiridos, como electrodomésticos y lámparas de iluminación, por ejemplo. Respecto a calefacción, ventilación y aire acondicionado (CVA), el mercado ofrece muchas y variadas soluciones, pero, independientemente de cuál sea la elegida, el gasto energético total de diseño por este concepto ha de ser menor de 10 kWh/m2 año. Si el edificio aspira a ser de consumo de energía neta nula o incluso productor neto de energía, merece la pena explorar soluciones basadas en energías renovables o mixtas. Tal es el caso de los sistemas de ventilación (introducen aire fresco en viviendas con poca ventilación natural debido a su aislamiento) con recuperador de calor trabajando de forma conjunta con un sistema de energía geotérmica, bien mediante pozo geotérmico o mediante colectores colocados de forma plana a poca profundidad (geotermia de baja entalpia), por ejemplo, en la parcela de la vivienda o edificio o, si no hubiera disponible tal espacio, justo debajo de su cimentación, aprovechando la excavación realizada para ello. Es más, la calefacción, ventilación y aire acondicionado de una vivienda puede ser resuelta en un circuito combinado, acoplando diferentes sistemas con el control adecuado; tal es el caso cuando un sistema geotérmico se conecta como previo a otro, un fan-coil (intercambiador agua-aire y un ventilador) por ejemplo, con objeto de proporcionar sin apenas gasto energético la mayor parte del salto térmico preciso para climatizar o ventilar sin introducir frío o calor desde el exterior. Otra solución para generar el salto térmico necesario sin apenas gasto energético es la climatización evaporativa, que prescinde del compresor, elemento de mayor consumo en una instalación de climatización convencional. El problema puede ser en función de la ubicación del edificio, dado que este tipo de instalaciones no funcionan bien en climas húmedos, debido a que es preciso secar permanentemente el aire del recinto que se pretende climatizar, ya que se está humedeciendo continuamente el ambiente.
Dicho lo anterior, hay múltiples soluciones para resolver el CVA de un edificio a costes energéticos muy bajos. En general y siempre que sea posible, en climas subtropicales es muy recomendable la geotermia de baja entalpia. Ello se debe a que es posible alcanzar, con un coste energético muy bajo (el rendimiento de una bomba geotérmica es muy alto, con un coeficiente de eficiencia energética estacional, SCOP, entre 4 y 5), la temperatura anual media del lugar como temperatura constante del edificio durante todo el año (Andújar, J. M., Martínez, M. A., Gómez, S., 2016, Ground Thermal Diffusivity Calculation by Direct Soil Temperature Measurement. Application to very Low Enthalpy Geothermal Energy Systems, Sensors, 17, p. 2-18). A partir de esta temperatura, supóngase por ejemplo 18 ºC en un lugar determinado, se necesita un coste energético muy bajo para suministrar el salto necesario que permita alcanzar una temperatura ambiental de confort de entorno a poco más de 20 ºC durante todo el año.
Respecto al agua caliente sanitaria (ACS), ésta ha de ser producida en los edificios Otium Pernet de forma completamente renovable, bien mediante captadores solares planos, bien trabajando éstos de forma conjunta con el CVA o, en edificios donde el problema de espacio para instalaciones es un hándicap, mediante energía aerotérmica (uso de la expansión-comprensión de un gas para calentar o enfriar agua). Por otra parte, aunque los electrodomésticos e iluminación están dentro de la fase de diseño de ingeniería, la mayoría de las veces solo se requerirá adquirirlos en el mercado, cumpliendo, eso sí, los requerimientos de eficiencia energética especificados en la Tabla I.
En cuanto a la domótica, el concepto Otium Pernet abarca todo lo concerniente al sistema de automatización y control, así como a la toma de datos y su procesamiento, lo que constituye un elemento clave para evaluar en el tiempo que el funcionamiento del edificio se ajusta a lo diseñado y ofrecido al cliente. Es más, la toma y análisis de datos es fundamental para poder realizar un mantenimiento predictivo del edificio. En un edificio Otium Pernet la toma de datos mínima consiste en temperatura y humedad relativa en cada estancia, calidad del aire interior, temperatura, radiación solar y humedad relativa en el exterior, así como consumo de cada circuito eléctrico. La necesidad de la domótica en la metodología implica que su consumo sea considerado como energía primaria.
Por último, los sistemas de energía renovable (SER), dependen, en cuanto a su naturaleza, de la disponibilidad natural en el lugar del edificio (fotovoltaica, solar térmica, eólica, geotérmica, etc.), y en cuanto a su dimensionado, del grado de independencia energética que se persiga, pudiendo el edificio llegar a ser productor neto de energía. Al respecto y aunque no se incluye en la Tabla I por no considerarse que se trata de un consumo de energía primaria, todos los edificios Otium Pernet están dotados de puntos de recarga para vehículos eléctricos.
Construcción
La etapa de construcción precisa una vigilancia continua para que los requerimientos plasmados en el diseño de arquitectura (columnas 1 y 4 de la Tabla I) se cumplan. Por ello, los edificios Otium Pernet están sometidos a una serie de ensayos en la fase constructiva. El primero de ellos es el correspondiente a determinar el valor U combinado real de la envolvente (Ue), el cual debe ser igual o menor al fijado en diseño, esto es, 0,3 Wm2/K. A continuación, el ensayo termográfico de la envolvente debe justificar la ausencia de puentes térmicos. La superación satisfactoria de los dos ensayos mencionados permite garantizar el correcto funcionamiento de la envolvente del edificio real. Por último, el ensayo de estanqueidad debe arrojar un valor n50 < 0.6 h-1. Cifra comúnmente aceptada, por ejemplo, en la certificación Passivaus, y que garantiza una adecuada estanqueidad en la envolvente del edificio real. Los ensayos anteriores permiten certificar que el edificio Otium Pernet funciona acorde a los requerimientos de la Tabla I.
Resultados
Se describirán de manera somera (por falta de espacio) algunos resultados de diseño correspondientes a una vivienda, parte de un grupo de 4, actualmente en construcción según la metodología presentada en este trabajo. Una recreación de ésta se muestra en la Figura 1. Comenzando por la primera columna de la Tabla I, los soleamientos han sido resueltos mediante voladizos y terrazas junto a persianas domotizadas para evitar el empleo de toldos que podrían alterar la imagen de la vivienda. Asimismo, para los extensos ventanales se han prescrito carpinterías con U = 1 W/m2K y cristales de 12 mm con cámara de 95% de gas Argón y transmitancia de 1 W/m2K. Por supuesto, la ausencia de puentes térmicos y estanqueidad están garantizadas por diseño, aunque se comprobará en obra. Respecto al factor de forma ha sido ajustado a F = 0.6 m2/m3, lo cual satisface ampliamente los requerimientos de la Tabla I. En cuanto a la ventilación natural la garantiza la domótica, aprovechando en invierno/verano las horas cálidas/frescas del día para realizar la renovación del aire de la vivienda, aunque esto se complementa, cuando no es posible la ventilación natural, con un sistema de ventilación de doble flujo con recuperación de calor. En cualquier caso, queda garantizado Sof > 0,05 m2/m2. Por último, en lo que respecta a la iluminación natural, todas las estancias de la casa la reciben, lo cual limita la necesidad de iluminación artificial a horas donde no hay luz del día. Los amplios ventanales de la vivienda permiten superar con creces el valor de Sgf > 0,1 m2/m2. Finalmente, cabe destacar que se han sometido a rigurosas simulaciones por ordenador el comportamiento del soleamiento, la estanqueidad, ventilación e iluminación natural.
El desarrollo de este proyecto requiere del estudio exhaustivo de las diversas tecnologías con las que se cuenta. Las viviendas, se enclavan geográficamente en una ubicación de clima mediterráneo con unas temperaturas medias de 18º C y una variabilidad anual entre los 10 y 30 ºC en más de un 90% de los días. La ausencia de viento aprovechable desaconseja la instalación de sistemas microeólicos, de modo que los sistemas renovables elegidos han sido un pozo geotérmico de 150 m (Figura 2) y una planta solar fotovoltaica de 40 paneles de 330 Wp cada uno, ubicados en diferentes sitios de cubiertas y parcela, con objeto de evitar al máximo el impacto visual. En la zona, la producción fotovoltaica está aproximadamente en 1.900 kWh/año por kWp instalado, lo cual supone una capacidad de generación de 25.080 kWh/año. El rendimiento del pozo geotérmico es de 8 kWh y la bomba geotérmica tiene un SCOP = 5, lo que implica un consumo eléctrico de 1,6 kWh, que se corresponde con las máximas necesidades de calefacción de la vivienda que es por suelo radiante. El rendimiento neto de la instalación geotérmica es pues aproximadamente igual a 56.064 kWh/año. Esta energía es sólo para calefactar y ACS, y supera con creces las necesidades de la vivienda, permitiendo climatizar la piscina. El resto del sistema de climatización se completa con la parte de refrigeración, compuesta por un sistema de climatización evaporativa apoyado por un sistema de fan-coil con SCOP en torno a 5.
En cuanto a la vivienda, su zona residencial comprende 250 m2, lo cual, según diseño (80 kWh/m2 año) implica un consumo de energía primaria menor o igual a 20.000 kWh/año. Extrayendo de aquí la energía necesaria para calefacción y la correspondiente a ACS, unos 9.000 kWh/año suministrados por el pozo geotérmico, se dispone de un exceso energético de más de 11 kWh/año para alimentar un punto de recarga eléctrico para vehículos.
Por último, el sistema domótico permite optimizar el uso de la vivienda en función de las condiciones atmosféricas, hora del día, o actividad desarrollada en cada parte de la misma (Merino, S., Guzmán, F., Domótica, Gestión de la Energía y Gestión Técnica de Edificios, 2015, Editorial Ra-Ma, Madrid). Además, la vivienda Otium Pernet pretende servir como asistente de sus habitantes, aplicando para ello conceptos de inteligencia artificial a las costumbres reiterativas de los mismos. La domótica no solo gestiona la vivienda, sino que está preparada para controlar las constantes y parámetros vitales de sus habitantes, empleando para ello sensores; cada usuario podrá tener a su disposición una calculadora biométrica personal que le permitirá conocer sus valores particulares, de manera que éstos podrán ser registrados, almacenados y comparados en tiempo real con sus propios datos, produciéndose una alarma cuando se registre una variación significativa respecto a sus valores normales.
Discusión y conclusiones
Este trabajo presenta la metodología que implementa el edificio Otium Pernet, la cual está basada en estudios científicos llevados a cabo por investigadores de las Universidades de Málaga y Huelva. La investigación llevada a la práctica realizada, demuestra que la vivienda, con un uso consciente, puede ser perfectamente auto-sostenible y con consumo energético neto nulo o incluso negativo. Por supuesto, siempre se habla de energía teniendo en cuenta el balance neto anual, no de potencia, la cual varía instantáneamente. Esto es, al no funcionar la vivienda aislada ni disponer de almacenamiento por baterías, en ciertos momentos del día puede estar demandando de la red eléctrica y en otros vertiendo a ella, teniendo en cuenta que anualmente la energía demandada será igual o menor que la generada y vertida, Lo cual está acorde con la política energética que la UE ha decidido implantar.
La metodología Otium Pernet pretende poner en práctica, con los criterios más exigentes, las últimas directivas europeas sobre eficiencia energética en la edificación. La mayoría de estudios sobre este campo presentes en la literatura están referidos a climas fríos y últimamente también a climas tropicales o muy cálidos. Sin embargo, la problemática del clima subtropical (el edificio ha de funcionar como en clima frío una parte del año y como en clima cálido otra) que aborda este trabajo, puede ser considerada novedosa por la escasez de publicaciones al respecto. El artículo ha presentado como resultado de aplicación de la metodología, un caso práctico de diseño y cálculo de instalaciones de una vivienda Otium Pernet, la cual puede evitar emitir hasta 200 kg de CO2/m2 a lo largo de su vida útil. Así, para el caso práctico mostrado en este trabajo, la vivienda diseñada podría evitar emitir en torno a 54 toneladas de CO2 anuales que, al cabo de 25 años, suponen 1.325 toneladas. Esto es el equivalente en emisiones de CO2 a ir y volver a la Luna algo más de 17 veces en un coche diesel medio (2,471 kg CO2/l) o, lo que es lo mismo, darle más de 331 vueltas a la Tierra.