Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autoras
- Marina Pérez-Pérez, Docente-investigadora titular, Universidad Tecnológica Indoamérica
- Andrea Parra, Docente-investigadora auxiliar asociada, Universidad Tecnológica Indoamérica
Resumen
Desde el Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPPC) del 2014, se ha reportado a las edificaciones responsables del 6.4% de emisiones directas y 12% indirectas. Datos en el que se reflexiona para la necesidad de una arquitectura diseñada con criterios sostenibles con criterios científicos, en sus diversas escalas. En el marco de las herramientas existentes para la proyección de un edificio sostenibles, con bajo consumo energético, se desarrolla esta investigación, con un análisis sistemático de los últimos 10 años en cuanto a referencias bibliográficas y experiencia profesional. El caso de estudio es el Ecuador que, si bien tiene un plan de desarrollo nacional del buen vivir basado en el desarrollo sostenible, su legislación no incluye normativas de bajo consumo energético en la edificación.
Introducción
Es imprescindible que la producción arquitectónica en todas las escalas, desde la urbana hasta el núcleo básico habitable, se conciba desde las etapas iniciales del diseño, proyecto definitivo y construcción con criterios para minimizar el impacto sobre el medio ambiente. Estos edificios se definen como edificios de consumo cero o nulo los cuales buscarán maximizar la eficiencia de los sistemas para lograr confort ambiental integral e incluir la generación de energía de fuentes renovables (Robert and Kummert, 2012). Un edificio NZEB por sus siglas en ingles Net Zero Energy Building no resulta de un diseño intuitivo sino que los requerimientos energéticos deben estar definidos desde la etapa de bocetaje inicial al igual que el análisis profundo del sitio, soleamiento y clima, es decir el arquitecto está forzado a expandir el alcance del proyecto más allá de la estética y la función (Attia, De Herde, 2012).
Existen diversas herramientas al alcance de los diseñadores para ser soporte en la proyección de un edificio sustentable desde el punto de vista energético. Nótese que los componentes sociales y económicos de la sustentabilidad están fuera del alcance de esta etapa de la investigación. El presente estudio busca evidenciar algunas de estas herramientas encontradas en el análisis sistemático de bibliografía y experiencia profesional de los autores.
Descripción del proyecto
El proyecto de investigación va alineado a las acciones de la Nueva Agenda Urbana definida en la conferencia internacional de la ONU, Hábitat III, en la cual se sientan las bases para una vivienda digna y adecuada a través de promover una economía urbana sostenible e inclusiva, fomentando la sostenibilidad ambiental. De los 175 puntos que se han marcado en la Nueva Agenda Urbana se toman dos ejes para esta investigación, por un lado, tomar medidas para hacer frente al cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y por el otro dotar de espacios habitables de acuerdo al desarrollo.
Las nuevas edificaciones diseñadas con miras en la reducción de los costos de la edificación y el consumo energético, han dado como resultado bajos niveles de confort en las edificaciones de obra nueva, lo que es conocido como un déficit cualitativo de viviendas. Déficit que afecta de igual manera a los asentamientos vulnerables y a los asentamientos socioeconómicos altos aun cuando se les dé una solución de acuerdo a su capacidad adquisitiva.
Siendo Ecuador, diverso y con variedad en climas, que en el mayor de los casos la variación de temperatura se presenta en el mismo día. De ahí que, si bien en el diseño de la arquitectura sostenible las estrategias pasivas son conocidas y determinante, no obstante, para el caso específico de la zona de estudio se desconocen que estrategias se consideran óptimas, en los parámetros del consumo energético de las edificaciones. La mayor causa es la falta de estudios previos, que es debido a la complejidad del estudio de los parámetros de un clima determinado.
La investigación busca definir criterios geométricos, para un bajo consumo energético y respetando el confort de los usuarios en edificaciones del Ecuador. Uno de los objetivos específicos es la identificación de las herramientas para el diseño sostenible de bajo consumo energético, en el proceso de la recopilación de datos se cuenta con suficiente material para concluir que herramientas son las usuales y cuales no se les conoce.
Metodología
La investigación referente a las herramientas en principio se realizó una revisión de literatura existente, se eligieron dos criterios básicos: tipos de herramientas y niveles de aplicación dentro del proceso de diseño y construcción de un edificio. De acuerdo a esto se utilizó el buscador Google Scholar de las palabras clave “Net Zero Energy Building Design Tools”, “Comfort Analysis in Buildings”, “Building Performance Analysis Tools”, “Building Information Modelling”, “Post-occupancy evaluation”. La delimitación temporal abarca los últimos 10 años sin embargo se referencian herramientas manuales que han sido utilizadas desde los años 80s en el diseño bioclimático de edificios e incorporados a software contemporáneos. Adicionalmente se ha consultado los repositorios web delos software Autodesk, EnergyPlus y Climate Consultant.
Con la información desde diagramas de confort y soleamiento analógicos, programas computacionales para simulación energética de edificios, equipos de medición in situ terminando con encuestas de satisfacción para las etapas post ocupación, considerando la necesidad de encontrar un equilibrio entre lo simulado, el comportamiento medido del edificio y la percepción del usuario para lograr un edificio energéticamente eficiente que a su vez cumple con la función de mantener condiciones adecuadas para el desarrollo de las actividades diarias.
Desarrollo
A partir de la crisis energética de los años 60´s se impulsó el desarrollo de metodologías de diseño enfocadas en la evaluación de edificios desde la incidencia solar relacionada al confort térmico y por tanto al consumo de energía. Entre estas se encuentran técnicas experimentales para conocer la trayectoria del sol en laboratorio a través de máquinas solares o heliodones; y el uso de sistemas numéricos matemáticos o gráficos en 2D o 3D, conocidos como cartas solares.
En este punto es importante mencionar que dicho nivel de actuación está relacionado al ciclo del diseño y construcción de un proyecto arquitectónico (Figura 1), para lo cual estas herramientas pueden ser más o menos precisas de acuerdo a la necesidad. Sin embargo, es en los principios del diseño donde el 20% de las decisiones del proyecto influenciarán el 80% del resultado final en el comportamiento del edificio (Attia, De Herde, 2012).
Un software de evaluación ambiental funciona a través de algoritmos de cálculo de balance térmico en intervalos definidos para así calcular la respuesta del sistema de calefacción, enfriamiento y cargas eléctricas. Algunos de estos software utilizan motores de simulación con código estructurado es decir con un input y output como documentos de texto, un ejemplo de esto es Energy Plus, eQuest, gbXML (Crawley, Hand Kummert and Griffith, 2008). Otro software adicionalmente incluye un espacio de visualización, modelado y definición de parámetros más amigable con el arquitecto que no está relacionado al lenguaje de códigos. Entre estos están Climate Consultant Software, Design Builder, Vasari y Autodesk Ecotect este último está descontinuado desde 2015 y sus herramientas están siendo incorporadas en Revit Architecture, entre los más utilizados por arquitectos según varios estudios realizados en contextos europeos hasta 2011. No se han encontrado este tipo de estudios para un contexto actual y local de tal manera que la valoración se ha realizado desde la experiencia en la academia y la práctica soportada por la revisión bibliográfica realizada.
En la primera etapa del diseño arquitectónico se requiere estudiar condiciones climáticas del lugar, a través del análisis de bases de datos meteorológicos que por lo general corresponden a 10 o más años de recolección en sitio, las bases de fuentes abiertas están disponibles desde 1960 a 1990 (Robert and Kummert, 2012). Para la visualización e interpretación de esta información se puede utilizar el software de acceso gratuito “Climate Consultant” de la Universidad de California – Energy Design Tools Group (University of California, 2017). Este visualizador permite analizar gráficamente elementos de clima comparados con escalas de confort térmico ASHRAE y California Energy Code Comfort Model 2013. Este puede leer cualquier archivo en formato EPW (EnergyPlus Weather), las principales ciudades del mundo están disponibles en la web del EnergyPlus de manera gratuita, como puede apreciarse en la figura 2 existen solamente 33 sitios en Sudamerica y en Ecuador 1 (U.S. Department of Energy, 2017). Adicionalmente presenta distintos tipos de cartas solares para el estudio gráfico del sol en cualquier latitud.
Similares son “Solar Analisys Tool” y “Weather Tool” de Autodesk Ecotect, en las nuevas herramientas de Revit Architecture y Vasari sin embargo estos programas son de pago y Ecotect tiene la última actualización en 2011 con lo cual se limita a la visualización y no se pueden guardar los datos para usuarios con licencia expirada.
Posterior al análisis de clima y definición de necesidades para alcanzar el confort, el arquitecto deberá diseñar a detalle las estrategias para maximizar el aprovechamiento de recursos: orientación, implantación, control y ganancia solar, ventilación natural, definición de materiales de la envolvente y aberturas. Para etapas de diseño conceptual existe Ecotect Analysis, Revit Architecture, Vasari (Attia, De Herde, 2012). Ecotect presenta un entorno para realizar la geometría, sin embargo, existen complicaciones en leer formatos pesados o importados de otros programas que no sean de Autodesk. Por esta razón se vuelve cada vez más importante el uso de programas de modelado e información de edificios BIM (Building Information Modeling), que permitan la combinación de los software de comportamiento ambiental BPA (Building Performance Analisys) con el objetivo de optimizar esfuerzos y recursos en el paso del diseño conceptual al anteproyecto. En este punto, muchas de las variables se determinan por defecto por el programa informático.
Algunos de los softwares mencionados, incorporan ya estos análisis como por ejemplo Revit Architecture que desde su versión 2015 incluye una extensión o plugin de diseño de iluminación natural el cual compara con estándares de certificación LEED (Leadership in Energy & Environmental Design).
La evaluación post-ocupación (POE) del edificio permite conocer su verdadero comportamiento generando así recomendaciones de mejoramiento de la calidad y operatividad del edificio. La POE tiene enfoques: cuantitativo y cualitativo. En primer lugar, la medición de parámetros de microclima interior usando instrumentos precisos para conseguir una base de datos comparable con los estándares de confort que fueron definidos en los estudios de diseño, y la cuantificación del consumo de energía y agua en el edificio (Göçer, Hua and K. Göçer, 2015). En segundo lugar es importante que simultáneamente a las mediciones empíricas se pueda generar un estudio de satisfacción y confort ambiental integral del usuario a través de cuestionarios diseñados y validados, considerando una muestra representativa que pueda valorar la percepción genérica e individual de las condiciones del edificio (Deuble and de Dear, 2014). Entre los métodos más utilizados está el “Building User Survey (BUS)” de Reino Unido.
Discusión
Una gran proporción de energía consumida en los edificios se utiliza en la fase operativa específicamente en climatización, iluminación y equipos eléctricos. De esta manera existen diversas variables que requieren considerarse en el diseño de un edificio NZEB y es justamente la interacción entre estas variables las que pueden generar un resultado más óptimo y cercano a la realidad (Attia, Hamdy, O’Brien and Carlucci, 2013):
- Análisis de clima
- Orientación y emplazamiento óptimo
- Forma y planta del edificio
- Geometría, posición y densidad de las aberturas
- Envolvente del edificio y materialidad
- Iluminación natural y control solar
- Estrategias de ventilación natural
- Forma y función de la estructura del edificio como fuente de calor
- Diseño del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)
- Confort térmico
- Generación energética y almacenamiento
- Sistemas de eficiencia en el uso del agua
Es imprescindible el conocimiento de la geometría solar y el clima del lugar donde se proyecta para lo cual se requieren herramientas simples y manuales como son las cartas solares, diagramas de confort y tablas de análisis de clima. Es importante mencionar en este punto que el estudio siempre dependerá de la disponibilidad de datos, los cuales en nuestro contexto son limitados al abarcar periodos iguales o menores a 10 años y contar con promedios en lugar de datos horarios necesarios para una investigación más profunda y para ser usados en los software que se han presentado.
Adicionalmente, es crucial entender que el clima está variando de manera drástica por causa del calentamiento global y la información que se tiene puede no ser completamente real para poder proyectar en el corto, mediano y largo plazo.
En las siguientes etapas del proyecto antes de la ocupación, se sugieren varios programas dependiendo la necesidad de detalle y disponibilidad de recursos para adquisición de licencias. Se ha mencionado la importancia de la integración de programas BIM y BPA, en donde Revit Architecture puede representar una buena opción para el nivel de diseño conceptual y anteproyecto realizados por el arquitecto. En etapas posteriores que requieran mayor detalle para certificaciones energéticas o consultorías, se puede utilizar gbXML, que importa de manera indirecta la geometría del edificio.
Conclusiones
Existen en el mercado local compañías que proveen los equipos y el servicio para el análisis de ambientes interiores, así como las universidades que están involucrados en la investigación y pueden ofrecer este servicio.
Finalmente, la satisfacción, salud y bienestar del usuario es el objetivo primario de la arquitectura por tanto se recomienda contrarrestar las mediciones cuantitativas con un análisis cualitativo en el cual se exprese la conformidad o inconformidad del cliente y con esto se pueda encontrar un equilibrio con la eficiencia energética.
Es imprescindible que se institucionalice las buenas prácticas para aprobación y control de todo proyecto en miras a disminuir los niveles de GEI que se emiten a la atmosfera y contribuir a mejorar la calidad de vida de las personas.
Agradecimientos
Este trabajo es un resultado del proyecto de investigación que se está realizando con el apoyo económico de la Universidad Tecnológica Indoamérica sin el cual no hubiera sido posible su desarrollo.
Referencias
- Attia S., Hamdy M., O’Brien W., and Carlucci S., 2013, Assessing gaps and needs for integrating building performance optimization tools in net zero energy buildings design, Energy Build., vol. 60, pp. 110–124.
- Attia S. G. and A. De Herde, 2012, Early design simulation tools for net zero energy buildings: A comparison of ten tools,” Proc. Build. Simul. 2011 12th Conf. Int. Build. Perform. Simul. Assoc., pp. 94–101.
- Crawley D. B., Hand J. W., Kummert M., and Griffith B. T., 2008, Contrasting the capabilities of building energy performance simulation programs, Building, vol. 43, pp. 661–673.
- Deuble M. P. and Dear R. J. de, 2014, Is it hot in here or is it just me? Validating the post-occupancy evaluation, Intell. Build. Int., vol. 6, no. 2, pp. 112–134.
- Göçer Ö., Hua Y., and Göçer K., 2015, Completing the missing link in building design process: Enhancing post-occupancy evaluation method for effective feedback for building performance, Build. Environ., vol. 89, pp. 14–27.
- IPCC, 2014, Climate Change: Synthesis Report, Contrib. Work. Groups I, II III to Fifth Assess. Rep. Intergov. Panel Clim. Chang. Core Writ. Team, Pachauri RK, Meyer LA IPCC, Geneva, Switzerland, 151 p., pp. 1–112.
- Robert A. and Kummert M., 2012, Designing net-zero energy buildings for the future climate, not for the past, Build. Environ., vol. 55, pp. 150–158.
- Ruiz Lacasa F. and Ochoa Ayerdi M., 2015. Introducción al BIM Building Information Modelling.
- U.S. Department of Energy, 2017, Weather Data | EnergyPlus. [Online]. Available: https://energyplus.net/weather. [Accessed: 12-Sep-2017].
- University of California, 2017, Energy Design Tools. [Online]. Available: http://www.energy-design-tools.aud.ucla.edu/. [Accessed: 01-Jul-2017].