Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Francisco Valbuena García, Arquitecto, Director Unidad Técnica de Arquitectura, Universidad de Valladolid
- María Jesús González Díaz, Dra. Arquitecta, Torre de Comares Arquitectos
Resumen
Un EECN requiere diversas estrategias, desde implantación en el solar hasta diseño y últimas decisiones de gestión. A su vez, la exploración de nuevas tácticas, sistemas, dispositivos y materiales corresponde a la propia función educativa e investigadora de un edificio universitario. Esto pretende el edificio IndUVA, alguno de cuyos retos, como conseguir máxima eficiencia en un edificio de alta ocupación con patrón discontinuo y variable, ya han sido presentados; junto con otras innovaciones (fachada tecnológica, sistemas pasivos y activos, dispositivos de incremento de iluminación natural, uso de materiales de cambio de fase, etc.), se han conseguido ahorros del 45% en consumo de refrigeración, 64% en iluminación y 57% en energía final.
Introducción y antecedentes
El aulario IndUVA, en el Campus Esgueva de la Universidad de Valladolid, forma parte de la reforma integral de la antigua Facultad de Ciencias para convertirse en la sede Mergelina de la Escuela de Ingenierías Industriales, y reemplaza un aulario anterior. Este edificio es el único elemento demolido de todo el conjunto (los demás serán rehabilitados) por su disposición en graderío, que lo hacía ineficaz para los actuales modelos de docencia y aprendizaje, e inaccesible a personas con capacidades diferentes.
La forma de abordar el proyecto incluyó la experiencia previa de edificios e iniciativas realizados por la Universidad de Valladolid en el ámbito de la sostenibilidad, como la calefacción de distrito con biomasa y la investigación realizada en el edificio LUCIA (edificio 5 hojas VERDE y Platinum LEED). La primera lección aprendida de la experiencia del edificio LUCIA es la de la adaptación: algunas de sus estrategias se están repitiendo en el edificio IndUVA, otras se implementan y otras se mejoran, de acuerdo con las propias características, circunstancias y necesidades del nuevo edificio. Se ha realizado un especial hincapié en los elementos pasivos, considerando que son éstos una base fundamental para la consecución de un edificio EECN. (Fig. 1).
Descripción del edificio
El edificio de seis plantas y un pequeño sótano para instalaciones técnicas, alberga 34 aulas con diferentes capacidades (96, 60 y 40 alumnos) hasta alcanzar una ocupación en torno a los 2.500 alumnos. La superficie construida total del edificio es de 5.845,93 m2 y el presupuesto de licitación de las obras fue de 5.780.000 € (IVA incluido). En la fecha actual (septiembre de 2017) se encuentra en avanzado estado de ejecución. Otra de las circunstancias fundamentales del edificio es su conexión a otros edificios universitarios, que debe realizarse de forma accesible y armónica, y el respeto y mantenimiento a su entorno más próximo, consistente en arbolado de gran presencia en la zona, y varios patios o jardines con diseño previo. Así, el edificio parte de su respeto a una ordenación del conjunto completo del campus y su adaptación a las mejores condiciones de funcionamiento del complejo universitario.
La experiencia de edificaciones sostenibles anteriores realizadas por la Universidad, y el diseño integrado permite la consecución de un edifico de consumo de energía casi nulo que puede servir de referencia en la exigencia de la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios en cuanto a que los Estados Miembros de la UE deberán tomar las medidas necesarias para garantizar que se establezcan unos requisitos mínimos de eficiencia energética, de tal forma que todos los edificios públicos construidos en Europa deberán ser de consumo de energía casi nulo; y que la Administración Pública debe dar ejemplo.
Métodos: un diseño basado en clima y sistemas pasivos
Un acercamiento general apoyado en las características del solar
Para alcanzar el objetivo de un EECN, se ha realizado un extenso análisis del clima, de la parcela del edificio y de sus alrededores para aprovechar los recursos disponibles en el sitio, tales como energía solar, del terreno, la vegetación y el agua, lo que se refleja en todas las decisiones posteriores. Se contrarrestarán las cargas externas a través de soluciones de diseño pasivo, y las cargas internas (personas y equipos) a través de sofisticadas instalaciones de climatización y ventilación automática de alta eficiencia, iluminación de bajo consumo con sistema de gestión de la luz automático, etc., que maximizan aún más los ahorros de energía; incorporando de manera efectiva las tecnologías de energías renovables.
El diseño incorpora la utilización de materiales de construcción de baja toxicidad o “saludables” (sin formaldehidos añadidos o sin compuestos orgánicos volátiles -COV-) para minimizar la contaminación interior y evitar impactos adversos en la salud; se prescribe productos con declaraciones ambientales, materiales ecológicos, que incorporen un alto contenido de material reciclado, así como productos para la construcción de origen y de fabricación local; todo ello para generar un ambiente interior saludable, aumentando la calidad ambiental interior, mejorando el control y confort térmico y acústico, reduciendo al mínimo la huella ecológica del edifico. Se reduce el uso de agua potable mediante su manejo responsable reduciendo los caudales, reutilizando aguas grises y agua de lluvia; y también se reduce la generación de residuos tanto en la fase de construcción como durante todo el ciclo de vida del edificio.
Sistemas Pasivos
Compacidad: El enfoque de diseño comienza reduciendo la demanda de energía a través de la envolvente del edificio. La forma muy compacta reduce la superficie en contacto con el exterior permitiendo minimizar las pérdidas y optimizar las ganancias solares. Del mismo modo, se reduce la exposición al viento por lo que la infiltración puede controlarse mejor.
Orientación: Al mantener la orientación de las fachadas establecidas en la ordenación general del conjunto, las aulas se colocan para que se abran mediante grandes ventanales hacia las fachadas noreste y suroeste. Para reducir las ganancias solares y evitar deslumbramientos se colocan parasoles verticales y paneles perforados (Fig. 2).
Aislamiento: Los coeficientes de transmisión térmica utilizados en la envolvente del edificio son más restrictivos que los exigidos por la normativa española CTE y por la americana ASHRAE. Los coeficientes de aislamientos utilizados, (U=0,16 W/m2K en fachadas y U= 0,15 W/m2K en la cubierta vegetal) y las carpinterías de alto aislamiento y vidrio de baja emisividad y transmitancia cercana a U=1,10 W/m2 ºC, junto con la eliminación de los puentes térmicos estructurales limitan las pérdidas por transmisión y por tanto reducen la demanda de calefacción en más del 90% y la de refrigeración en un 85% según la simulación dinámica efectuada con el programa EnergyPlus, Versión 8.5.0. Debe ser también considerado en este apartado el efecto de la inercia térmica conseguido en la propia fachada y estructura del edificio (hormigón armado) y sobre todo con la cubierta, de tipo vegetal extensivo en más del 70% de su superficie.
Iluminación natural: Los grandes ventanales incentivan la entrada de luz natural, que se incrementa aún más mediante parasoles horizontales que reflejan la luz exterior hacia el techo interior del aula aumentando la profundidad de entrada. Para reducir el uso de la iluminación eléctrica, las escaleras y núcleos de comunicación del aulario con el edificio principal del complejo universitario están totalmente acristalados, aprovechando que por su situación y geometría este espacio estará sombreado la mayor parte del tiempo. En los pasillos interiores y en las aulas con poca iluminación natural, ésta se complementa con un sistema de introducción de luz natural mediante fibra óptica: el sistema Parans. Este sistema consiste en la captación de luz natural en la cubierta mediante captadores giróvagos y su transmisión a los puntos interiores mediante un cableado de fibra óptica. La fibra óptica, por su flexibilidad y poco calibre, permite ser introducida en canalizaciones de poco espesor y conducir luz natural a los puntos finales sin obstaculizar la estructura o la distribución general del edificio. La implementación de luz natural no se aconseja solamente por una cuestión económica y de reducción de la demanda eléctrica, sino que también supone mayor confort, mayor salud, y es además un interesante tema de investigación en un edificio cuya misión y cuyo promotor son precisamente los más comprometidos con ello. Estas estrategias combinadas con el sistema de control DALI de cada luminaria permiten la reducción del consumo de energía para iluminación en un 75%.
Materiales de cambio de fase: En este ámbito de investigación en edificación sostenible que anima toda la intervención, se ha incluido en el proyecto el uso de materiales de cambio de fase, en forma de paneles de composición mixta de yeso y microcápsulas de micronal, un sistema absolutamente innovador y aún sin aplicar en España, hasta donde se conoce. Se utilizará en dos aulas de disposición, orientación y capacidad similares a otras dos, de forma que se puedan establecer en el futuro comparaciones entre ellas para observar el comportamiento y las variaciones de temperatura en el interior, y obtener conclusiones sobre el uso de este sistema. Las aulas escogidas son aquellas que pueden ser las más sensibles al calor. Se presupone la intervención de este sistema en la atemperación del calor, puesto que el retraso en la onda térmica esperada disminuirá en algunos grados la temperatura interior tan sólo por el efecto de la variación de temperatura noche-día en el clima vallisoletano en los meses de junio, julio, y septiembre, cuyas altas temperaturas serán difíciles de combatir sin sistemas activos. No se incluye agosto en esta relación, porque en este mes se supone que no habrá clases, aunque como es lógico este sistema (que puede considerarse pasivo) seguirá realizando su función.
Biodiversidad: Por último, las cubiertas vegetales tipo sedum, que son resistentes a la sequía, proporcionan un aislamiento adicional, crea hábitats de vida silvestre, absorbe la contaminación atmosférica, extiende la vida útil de la cubierta mediante la protección de la superficie de la luz UV, y elimina el efecto de isla de calor en el entorno. El intenso estudio que se prevé realizar para el mantenimiento, la rehabilitación y recuperación de a zona verde adyacente, el arbolado y los jardines, completan el hincapié realizado para la mejorar la biodiversidad del conjunto, que habrá de tener una fuerte influencia en el entorno próximo.
Energías renovables
Integración arquitectónica de sistemas fotovoltaicos: La fachada Sur-este, que es ciega para evitar ganancias térmicas, se aprovecha para sustituir el material de cierre de la fachada ventilada por un revestimiento de vidrio fotovoltaico que reduce el consumo de energía primaria no renovable en más de un 10% .
Geotermia somera: Se utiliza la geotermia somera como elemento de apoyo del sistema de ventilación y climatización del edificio, implementando el sistema ya comprobado en la experiencia anterior del edificio LUCIA. Este sistema consiste en la instalación de tubos geotérmicos (conocidos también como pozos canadienses o provenzales) que mediante el intercambio energético tierra-aire precalientan o enfrían el aire, según las condiciones temperatura del aire exterior en cada momento, previamente a la entrada en el circuito. El equivalente energético de la aportación de este sistema es de 29.654 kWh anuales. Se reduce con ello el consumo de energía eléctrica para acondicionar el aire interior. (Fig. 3).
Calefacción de distrito: El edificio se conectará con la red de calor mediante biomasa de la propia Universidad, dentro de la apuesta por energías renovable locales, la reducción de CO2 y el fomento por el desarrollo de sistemas que permitan la utilización de este recurso en condiciones de competencia con los combustibles fósiles.
Sistemas activos
En cuanto a los sistemas activos, dado que este tipo de edificios presentan ocupaciones discontinuas en el tiempo y variables en cuanto al número de ocupantes, todos se diseñan para proporcionar únicamente la energía que se demanda en cada momento para cada espacio en particular. Es sistema de trabajo de las estrategias de eficiencia energética de los sistemas ha sido ya extensamente tratado en la ponencia “Edificios inteligentes de alta ocupación con patrón discontinuo y variable: el aulario IndUVA de la Universidad de Valladolid” (Valbuena & González, 2017).
Resultados
En la siguiente Tabla I se ofrecen los resultados de la simulación energética calculados mediante el modelo de Energyplus Versión 8.5.0 en la que se comparan los resultados obtenidos para el edificio de referencia según el CTE vigente y el edificio de referencia según los criterios ASHRAE para la certificación de sostenibilidad LEED, con relación al edificio proyectado.
Como se puede observar, con los criterios de diseño aplicados, el consumo de energía final (EF) del edificio proyectado es un 86% menor que aplicando los estándares actuales del CTE, (Tabla II):
En cuanto al uso de energía primaria no renovable, el resultado de 76,1 kWh/m2 año es inferior a los valores de referencia numéricos [1] establecidos por la UE como indicadores del EECN (en este caso comparado con la referencia de uso de energía primaria para oficinas en la zona climática 1 o Mediterránea, de 80-90 kWh/m2año).
Conclusiones
Las estrategias para conseguir un edificio de energía casi nula (EECN) son, como ya se ha comprobado en experiencias anteriores, complejas y basadas ante todo en un detallado análisis del emplazamiento y el lugar en todos sus variados aspectos, incluidos los climáticos, sociales y funcionales, para conseguir resultados completos. La adaptación y la consideración de las preexistencias es la clave para un buen resultado, tanto en el aspecto de eficiencia energética y consumo casi nulo de energía como en los demás aspectos relacionados con el buen fin de un edificio. Las simulaciones realizadas hasta el momento ofrecen uso resultados muy positivos, si bien deberán ser comprobados tras la realización completa del edificio y su puesta en uso durante un tiempo. Su acierto como edificio sostenible se evaluará mediante la aplicación de herramientas de control de bajo impacto ambiental: LEED y VERDE, ambos de carácter voluntario, distintos en metodología de aplicación y en contenido, pero con objetivos asimilables; la consideración de marchamos de calidad sostenible.
Referencias
- Valbuena & González, 2017. Edificios inteligentes de alta ocupación con patrón discontinuo y variable: el aulario IndUVA de la Universidad de Valladolid. III Congreso de Edificios Inteligentes. CEN. Madrid, 20 y 21 de junio de 2017
Notas al final
[1] Recomendación (UE) 2016/1318 de la Comisión, de 29 de julio de 2016, sobre las directrices para promover los edificios de consumo de energía casi nulo y las mejores prácticas para garantizar que antes de que finalice 2020 todos los edificios nuevos sean edificios de consumo de energía casi nulo