Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- F. José Castilla Asensio, Director, Cundall España.
- Miguel Fernández Ramos, Consultor, Cundall España.
Resumen
Con la intención de obtener conclusiones cuantitativas a la indefinición provocada por la directiva europea 2010/31/EU de eficiencia energética de edificios se ha estudiado un caso mostrando una metodología de diseño con el fin de obtener un edificio de oficinas de consumo de energía casi nulo. Utilizando simulación energética horaria, partimos de un edificio base situado en Madrid que posee soluciones arquitectónicas y técnicas típicas en el mercado español con un consumo total de energía final de 220kWh/m2 consiguiendo mediante mejoras en el diseño llegar al escenario de consumo casi nulo. Se concluye que: 1- Es posible llegar a una reducción total del 87% respecto al caso inicial siendo la reducción del primer 50% con muy poco coste adicional. 2- El diseño final es autosuficiente, quedándose únicamente sin cubrir 29.0kWh/m2 proveniente del consumo ofimático, ascensores y otros equipos auxiliares. Estos resultantes 29.0kWh/m2 pueden ser un orden de magnitud apropiado para definir el parámetro de consumo energético “casi” nulo.
Introducción
El 40 % del consumo total de energía en la Unión Europea corresponde a los edificios. Pese a las acciones normativas de los distintos gobiernos y agentes del sector, el nivel de emisiones no ha parado de aumentar desde la entrada en vigor de la primera directiva europea en este campo (2002/91/CE). La nueva directiva europea 2010/31/EU pretende cambiar esta tendencia. Para ello establece un nuevo escenario donde cobra importancia el “edificio de consumo casi nulo” y obliga a los estados miembros a que definan éste y apliquen medidas para que sea el estándar común en 2020.
La directiva establece en su artículo 2: “edificio de consumo de energía casi nulo es aquel con un nivel de eficiencia energética muy alto…”, “….la cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables, incluida energía procedente de fuentes renovables producida in situ o en el entorno”.
Igualmente en el artículo 4 se da libertad a los estados miembros para que implementen la directiva de manera autónoma e independiente, eximiéndolos de que establezcan unos niveles de eficiencia energética mínimos cuando éstos no sean rentables a lo largo de la vida útil del edificio.
Es inevitable pensar que este proceso de definición de edificio de consumo casi nulo está en una fase muy incipiente por lo que es necesario que todos los agentes implicados, gobierno, inversores y profesionales del sector, contribuyan en la definición de un marco nacional duradero y efectivo que garantice una reducción del consumo energético en el sector de la edificación y de su huella de carbono asociada.
Un edificio de consumo casi nulo. Caso práctico.
En respuesta a la indefinición actual acerca del concepto de edificio de consumo casi nulo, se ha realizado un análisis de simulación energética por ordenador en el que, partiendo de un edificio de consumo medio o típico en el mercado español, se llegue, mediante mejoras en su diseño, a una reducción máxima de su consumo energético para, posteriormente, establecer el potencial de generación renovable. De esta manera se podrá identificar el potencial de reducción energético y obtener una idea del orden de magnitud y lo que significaría el consumo casi nulo del que trata la directiva europea en el marco español.
Modelo Energético – Simulación Informática
Se dispone en la actualidad de herramientas informática para simular con un alto grado de detalle el comportamiento energético del edificio. Se trata de herramientas que simulan, para cada hora del año, cuanta energía demanda y consume el edificio en función de la climatología del emplazamiento, su volumetría y propiedades arquitectónicas, las condiciones interiores de funcionamiento, la configuración de los equipos internos y su grado de eficiencia. Concretamente, en este ejercicio, se ha utilizado la herramienta TAS (versión 9.3.3) propiedad de EDSL.
Edificio de Referencia
Para reproducir el reto al que se enfrentará la industria en los próximos meses, se ha partido de un edificio de oficinas con características medias en el mercado español.
Se puede observar que el edificio presenta las cuatro orientaciones y tiene un acristalamiento de suelo a techo sin elementos de sombreado exterior. El edificio tiene un área sobre rasante de 5.000m2 distribuidas en 5 plantas y 1.000m2 de aparcamiento subterráneo. El sistema de climatización se compone de enfriadora condensada por aire y caldera de gas; sistema de bombeo primario y secundario; fancoils a 4 tubos y climatizadora centralizada de caudal constante. Los parámetros de diseño se listan a continuación:
Proceso de Mejora de diseño
A la hora de mejorar el diseño para reducir el consumo energético se sigue una metodología lógica para maximizar el beneficio a un menor coste. Para ellos seguimos un planteamiento ascendente según el siguiente esquema.
Es importante resaltar la importancia del orden secuencial de las acciones (comenzando por mejorar las bases de diseño y sucesivamente hacia arriba). De esta manera el resultado final, antes de la inclusión de equipos activos de climatización, será el de una menor demanda energética, propiciando un importante ahorro en cuanto a coste capital. Igualmente, al tener el edificio una menor demanda energética, el impacto que la energía renovable tendrá sobre el resultado final será más significativo requiriendo, a su vez, una instalación bastante más pequeña.
Los siguientes apartados presentan los resultados de la simulación energética cuando acometen las mejoras según el esquema anterior.
Actuación sobre las bases de diseño
Se actúa, principalmente, sobre la temperatura de consigna que pasa a 21 ºC en invierno y 25ºC en verano; la altura de ventana, reduciéndola a 1.5m; y el ajuste de los niveles de iluminación, reduciendo los niveles en zonas donde no aportan y potenciando, mediante iluminación de tarea donde es necesario. El efecto de esta acción es la reducción de la potencia instalada de iluminación a 10W/m2.
Diseño pasivo
A las medidas descritas en el apartado anterior se le incorporan medidas de mejora pasivas. Se mejoran los vidrios (g=0.2), se incluye elementos externos de control solar, se aumenta la inercia térmica y se introducen estrategias de refrigeración pasiva mediante ventilación natural y enfriamiento nocturno. Es de resaltar la reducción tan importante en refrigeración y de manera asociada en bombas y ventiladores.
Cargas internas
A las medidas descritas en el apartado anterior se le incorporan medidas que reducen las cargas internas. Mediante la selección de equipos eficientes, es posible reducir la potencia en equipamiento a 10 W/m2. Se propone la instalación de iluminación LED reduciendo la iluminación instalada a 6 W/m2 en oficinas y de 1 W/m2 en garaje así como control de apagado mediante sensores de luz natural y de presencia.
Eficiencia energética
A las medidas descritas en el apartado anterior se le incorporan de eficiencia energética en el diseño. Entre ellas destacan: enfriadora de alta eficiencia SEER 4.5, baja pérdida de carga en el sistema de ventilación e incorporación de motores DC en fancoils (SFP climatizadores = 2, SFP fancoils = 0.2), caudal de ventilación variable controlado por sensores de CO2, integración de biofilia en la arquitectura para mejorar la calidad de aire, ventilación de aparcamiento variable controlada por sensores de CO y fancoils de caudal variable.
Recuperación de energía
A las medidas descritas en el apartado anterior se le incorporan elementos recuperadores de energía en los climatizadores. Estos incorporan una sección adiabática en el retorno para maximizar la recuperación en verano.
Energías renovables
Una vez incorporadas todas las medidas propuestas con el objeto de obtener un diseño de baja demanda y bajo consumo energético se integran las estrategias renovables que mejor pudieran adaptarse al perfil energético resultante. Se plantea la incorporación de 80kWp (700m2) de instalación solar fotovoltaica así como cubrir el 100% de la demanda de ACS mediante energía solar térmica.
Se generarían 27kWh/m2 año de electricidad por la fotovoltaica y 4.5kWh/m2 año con la solar térmica.
Modelo Energético – Resultados
Los resultados del estudio se muestran en las siguientes tablas. Los distintos escenarios son acumulativos. Observando los resultados de aplicar las medidas 1 y 2 (mejoras en bases de diseño y diseño pasivo) permiten un ahorro del 33%. Se aprecia un ahorro considerable en refrigeración provocado principalmente por el control solar y el empleo de la inercia térmica, la refrigeración pasiva y el enfriamiento nocturno. Igualmente es posible obtener una reducción considerable en iluminación.
Al acometer medidas de ahorro en las cargas internas se observa que el ahorro acumulado llega al 50% comparado con el edificio de referencia. Debemos indicar que las actuaciones hasta este punto, no llevan acarreados un aumento considerable del coste de proyecto. Si se incorporan medidas adicionales de eficiencia energética vemos que los ahorros en refrigeración superan el 90% y en iluminación el 75%.
La recuperación energética mejora el comportamiento en calefacción del edificio situando la cifra de ahorros en este punto por encima del 72%. Al integrar las estrategias de energías renovables, pueden desplazarse 31kWh/m2 tanto en electricidad como en energía destinada al tratamiento del ACS situando la cifra total de ahorros en un 87% y el consumo neto del edificio en tan solo 29 kWh/m2.
Conclusiones
En base al análisis realizado y mostrado en el presente artículo, se puede concluir que la obtención de un edificio de consumo casi nulo es posible. El estudio muestra un orden de magnitud posible a la hora de definir el consumo neto de energía de un edificio de oficinas de consumo casi nulo, el cual ha resultado ser de 29kWh/m2, con unos ahorros relativos del 87% respecto a un edificio de referencia representando la práctica común en el mercado de oficinas. Debemos resaltar que el camino seguido para llegar a esta cifra es viable técnica y económicamente en el contexto actual.
Es muy importante para garantizar el éxito de un diseño de consumo casi nulo el realizar un diseño integrado donde todos los agentes participen desde el inicio. Igualmente es necesario la concienciación de los ocupantes ya que ellos son una parte importante en todo el proceso; el uso de una vestimenta adecuada a la estacionalidad, la relajación en los puntos de consigna o el uso de la refrigeración pasiva son medidas necesarias en el ahorro energético del edificio.
Al final de la cadena se identifica como necesario el empleo de energías renovables para cubrir el consumo existente una vez aplicadas todas las medidas posibles, siendo necesario el esfuerzo económico del promotor.
Por último, indicar que el consumo restante podría verse cubierto mediante el uso de energía primaria de origen renovable o de bajo contenido en carbono para que el resultado final fuera lo más próximo a las emisiones cero de carbono.
Referencias
- Clark, D.H., 2013, What Colour is Your Building, RIBA Publishing, Londres.
- Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios.