Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- María Izquierdo Sanz, Gestora proyectos Unidad Internacionalización y Promoción, CIRCE
- Alfonso Aranda Usón, Director del Área de Eficiencia Energética, CIRCE
- Ignacio Zabalza Bribián, Director del Grupo de Edificación Sostenible, CIRCE
- Jorge Guillén Ferrer, Ingeniero especialista en Eficiencia Energética, IDOM
- Antonio Lorén Collado, Arquitecto co-autor del Proyecto, IDOM-ACXT
- Ana Morón Hernández, Arquitecto co-autor del Proyecto, IDOM-ACXT
- Antonio Villanueva Peñalver, Ingeniero especialista en Eficiencia Energética, IDOM-ACXT
- Elena Calvo Gallardo, Directora de la Unidad de Internacionalización y Promoción, CIRCE
- Andrés Llombart Estopiñán, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Zaragoza
- Jose Angel Ruiz Gonzalez, Arquitecto co-autor del proyecto, IDOM-ACXT
- Olatz Mestre Rosales, Arquitecta co-autora del proyecto, IDOM-ACXT
Resumen
En el año 2020 la nueva Directiva Europea 2010/31/UE de 19 de Mayo de 2010 relativa a la Eficiencia Energética de los Edificios obligará a todos los edificios de nueva construcción a tener un consumo energético cercano a cero. La Comisión Europea ha financiado una serie de proyectos como ejemplo de buenas prácticas y, dentro del proyecto NEED4B, financiado a través del VII Programa Marco, el edificio CIRCE II va a ser un demostrador en el que se va a poder observar el funcionamiento de soluciones novedosas que permiten alcanzar los objetivos planteados.En este artículo se presentan las condiciones de partida para el diseño del edificio y las soluciones finales adoptadas con sus consumos asociados, que, de manera simulada, demuestran que el consumo de los edificios destinados a oficinas en un clima mediterráneo puede tener consumos por debajo de los requeridos a un coste de inversión muy razonable.
Introducción
El proyecto de construcción del edificio CIRCE II se enmarca en el marco de la estrategia europea de desarrollo sostenible y el Programa de Recuperación Económica de la Unión Europea, que pretenden reactivar el crecimiento y crear empleo en el sector de la construcción. En concreto, forma parte del proyecto europeo “NEED4B – New Energy Efficient Demonstration for Buildings”, un consorcio formado por 16 organizaciones de toda Europa y financiado por la Comisión Europea a través del VII Programa Marco de I+D.
El programa NEED4B plantea la investigación, desarrollo y construcción sobre 5 tipologías diferentes de edificios, en lugares geográficos diversos, con soluciones energéticas adaptadas a cada medio. Dichas soluciones permitirán investigar y demostrar la capacidad para implementar soluciones arquitectónicas energéticamente eficientes, respetuosas con el lugar, con el usuario y con el medioambiente.
La propuesta arquitectónica se ha desarrollado desde la estrategia de incorporar los potenciales energéticos del lugar con carácter previo al diseño definitivo del edificio. El equipo de técnicos de Idom ha estudiado el edificio; su planteamiento funcional, su resolución constructiva y su integración técnica como un conjunto integral encaminado al equilibrio energético del modelo de demostración. Es un objetivo del proyecto configurarse como una plataforma para la investigación e implantación de futuras propuestas de eficiencia energética.
NEED4B contempla la construcción de 5 edificios «demostradores» con consumos energéticos muy reducidos, uno de los cuales es el edificio CIRCE II. Los demostradores servirán a la Comisión Europea como ejemplo de buenas prácticas en el sector de la construcción con vistas a la implantación de la nueva directiva europea 2010/31/UE de 19 de Mayo de 2010 relativa a la Eficiencia Energética de los Edificios, que exigirá que los edificios de nueva construcción en Europa tengan un consumo de energía cercano a cero a partir de 2020.
En este artículo se presentan las condiciones de partida para el diseño del edificio y las soluciones finales adoptadas con los consumos asociados. En estos momentos los resultados que se muestran son los simulados, desde principios de 2016, el edificio será monitorizado y el funcionamiento de cada uno de los sistemas será supervisado para contrastar las mencionadas simulaciones y la bondad de las soluciones adoptadas.
El proyecto del edificio CIRCE II
Para poder cumplir el requisito imprescindible de construir un edificio de muy bajo consumo energético (inferior a 60 kWh/m2 por año), en CIRCE II se prevé la integración de soluciones y tecnologías innovadoras de eficiencia energética, asegurando que el resultado final sea económicamente rentable y reproducible en Europa. Se estima una reducción global de la demanda energética del edificio de hasta el 60% con respecto a un edificio convencional.
El punto de partida para el diseño del edificio es el siguiente:
- Envolvente de alto aislamiento térmico con U menores de 0,42 W/m2K.
- Vidrios de altas prestaciones U inferior a 2 W/m2K.
- Sistemas de climatización muy eficaces y de baja energía.
- Integración de energías renovables.
- Consumo de energía total inferior a 60 kWh/ m2 año (en términos de energía primaria), incluyendo calefacción, refrigeración, ventilación, ACS, consumo de electricidad (considerando iluminación).
- Uso de productos de construcción de bajo impacto ambiental y potencialmente recuperables.
- Monitorización durante la fase de uso y control.
- Planteamiento de soluciones y tecnologías de eficiencia energética, rentables y de fácil reproducibilidad.
- Plan de gestión de agua y residuos.
- Criterios de calidad de ambiente interior.
Material y métodos
El diseño y construcción del edificio CIRCE II se está realizando siguiendo la metodología innovadora en desarrollo dentro del proyecto NEED4B que integra herramientas y procedimientos como la IPD – Integrated Project Delivery (Teng et. al, 2013, pág. 370-374) el modelo y herramientas BIM – Building Information Modelling (Wong & Fan, 2013), el análisis del ciclo de vida (UNE-EN ISO 14040:2006 y UNE-EN ISO 14044:2006) y del coste del ciclo de vida (Langdon, 2007, pago 1-60) y la utilización programas avanzados de simulación energética (Zhu et. al, 2013, pág. 323-335; Boyano et. al, 2013, pág. 19-28).
Para la realización del proyecto de ejecución y la ejecución del mismo es requisito del proyecto NEED4B utilizar la metodología BIM, que es una metodología de trabajo que permite centralizar toda la información de un proyecto constructivo durante todo su ciclo de vida y desde el punto de vista de todos los agentes (Arquitectura, Ingeniería, Construcción y Facility Management). BIM es la tecnología que apoya la metodología IPD y que permite construir digitalmente un modelo virtual del edificio. Este modelo admite todas las fases del ciclo de vida de un edificio, lo que permite un mejor análisis y control de procesos manuales. Cuando está terminado, el modelo contiene la geometría precisa y los datos necesarios para apoyar las actividades de operación y mantenimiento. BIM facilita un diseño y un proceso de construcción más integrado, que se traduce en edificios de mayor calidad a un menor costo y la reducción de la duración del proyecto.
Resultados
Diseño propuesto
A continuación se presenta el diseño propuesto para el edificio, estructurado en tres elementos clave: la optimización de la envolvente térmica, la máxima eficiencia en las instalaciones energéticas y la integración de las energías renovables.
Se ha realizado un estudio de soleamiento y de viento para reducir la exposición al viento, optimizar la captación solar en invierno y prever las protecciones solares necesarias en verano. Teniendo en cuenta lo anterior, así como la relación con el Campus Universitario y la accesibilidad se propone un edificio en forma de L con dos brazos; uno de orientación norte-sur y otro con orientación este-oeste, de los cuales el brazo norte sur es escalonado.
Envolvente térmica del edificio
La transmisividad de los cerramientos opacos y transparentes del edificio es inferior a 0,2 y 1 W/m2K respectivamente. Las fachadas del edificio son de doble piel: la interior está formada por un muro de termoarcilla y la exterior formada por dos capas, la primera sobre un aislamiento impermeable de gran espesor y altas prestaciones y la segunda un revestimiento de lamas metálicas perforadas. La última piel se abre y se orienta de modo óptimo para obtener la adecuada iluminación, protección solar y ventilación. Las proyecciones solares se han diseñado de manera que sombrean la fachada y los huecos evitando la radiación solar en verano y permitiéndola en invierno. Por otra parte, la cubierta del edificio será vegetal y transitable, consiguiendo un buen comportamiento energético y contribuyendo a reducir el efecto de “isla de calor” local.
Se ha tenido especial cuidado en el tratamiento de los puentes térmicos. Colocando el aislamiento térmico por delante de la estructura se genera una rotura de puente térmico en la solución constructiva de los vuelos.
Instalaciones energéticas del edificio
Como sistema de calefacción y refrigeración, se plantea un sistema TABS -Thermally Activated Building System (Saelens et. al, 2011, pág. 835-848), consistente en la activación térmica de la estructura de hormigón del edificio (básicamente en los forjados). Una vez implementado el sistema, la energía contenida en la estructura de hormigón pasa a estar controlada, funcionando la propia estructura como un acumulador energético y por tanto tiene capacidad de cargarse y descargarse.
Las principales ventajas del sistema TABS son:
- Gran inercia (superior a 8 horas), lo que reduce la potencia de los equipos de generación de calor/frío entre un 30% y un 50%, aumentando la eficiencia energética en su operación.
- Reducción de la temperatura de trabajo de los fluidos caloportadores, consiguiendo temperaturas más parecidas a la temperatura ambiente que en los sistemas convencionales.
- Mejora del confort térmico, ya que las temperaturas de las superficies alrededor de los usuarios se asemejan en todo momento a la temperatura del aire.
- Alto grado de replicabilidad, siendo especialmente adecuado para su aplicación en edificios de oficinas, donde las demandas de climatización y las exigencias de confort térmico suelen ser elevadas, existiendo además un comportamiento energético día/noche muy diferenciado.
Dado que las temperaturas necesarias para refrigerar el edificio durante el verano con un sistema TABS son de 19ºC, se plantea el uso de energía geotérmica directa durante gran parte del año. En épocas invernales es posible usar este intercambiador geotérmico como evaporador para las bombas de calor. Se plantea entonces una instalación de geotermia de lazo cerrado para poder realizar un intercambio hidro-geotérmico con el terreno de la parcela.
El sistema de ventilación del edificio aprovecha las características de la climatología local a través de un sistema de freecooling. Asimismo, los climatizadores cuentan con sección de recuperación de calor para aprovechar la energía del aire que se va a extraer del edificio. El sistema se basa en que la ventilación sea por demanda, es decir solamente se ventila cuando es necesario en función de la calidad del aire de cada zona la cual se monitoriza a través de unas sondas de CO2 en cada despacho y en cada punto de las plantas. Adicionalmente, el sistema de ventilación va a contar con dos subsistemas de pre-calentamiento o pre-enfriamiento: geotermia de aire o pozos canadienses y colector de aire o muro trombe. Estos dispositivos logran que antes de llegar el aire exterior al climatizador, éste haya sido pre-enfriado o pre-calentado.
Por otra parte, en el edificio se plantea la reutilización de las aguas de lluvia y aguas grises el llenado de las cisternas de inodoros y para la red de riego.
Integración de energías renovables en el edificio
El edificio dispondrá de una instalación fotovoltaica con una potencia de 18kW pico, con una producción anual aproximada de 24MWh/año, así como una instalación minieólica en cubierta, con una producción menos significativa pero pretendiendo ser un ejemplo de la integración de este tipo de sistemas en los edificios.
Ahorros obtenidos
El nuevo edificio CIRCE II presentará los siguientes ahorros energéticos en comparación con un edificio convencional:
- Reducción de la demanda energética para calefacción del 83%, lo que supone un ahorro de 50,5 kWh/m2 año.
- Reducción de la demanda energética para refrigeración del 79%, lo que supone un ahorro de16,2 kWh/m2 año.
- Reducción de la demanda energética del edificio del 70%, lo que conlleva un ahorro de 65,6 kWh/m2 año.
- Consumo muy reducido de energía primaria, estimado en 29 kWh/m2 año.
Estos ahorros tienen un impacto directo en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero liberadas a la atmósfera, que se estima en 2,87 kg CO2/m2 año, lo que en términos globales supone evitar la emisión de 65 t CO2 al año.
En cuanto a los ahorros económicos asociados a las medidas implementadas, se ha estimado un ahorro en la facturación eléctrica de 10 euros/m2 año, lo que supone un ahorro aproximado de 24.000 euros/año. Como consecuencia de los ahorros generados se ha estimado un beneficio económico de 0,96 millones de euros para un periodo de 50 años.
Conclusiones
El proyecto del edificio CIRCE II plantea la investigación de soluciones de eficiencia energética adaptadas al medio. Dichas soluciones permitirán investigar y demostrar la capacidad de implementar soluciones arquitectónicas energéticamente eficientes, respetuosas con el lugar, con el usuario y con el medio ambiente.
Las soluciones propuestas para el edificio CIRCE II lo convierten en un edificio de muy bajo consumo energético. El consumo de energía primaria se estima en 29 kWh/m2 año, que es un 50% inferior al objetivo mínimo inicial de 60 kWh/m2 por año.
Conviene reseñar que los ahorros de energía obtenidos para el edificio se han logrado a través de un conjunto de medidas técnica y económicamente viables. Los costes económicos asociados a la facturación eléctrica se reducen un 65% en comparación con un edificio convencional, obteniendo un periodo de retorno de la inversión para las medidas de eficiencia energética implementadas de tan solo 10 años.
Reconocimientos
La investigación que ha dado lugar a estos resultados ha recibido financiación del Séptimo Programa Marco de la Unión Europea (FP7/2007-2013) en virtud del acuerdo de subvención nº 285173 – proyecto NEED4B New Energy Efficient Demonstration for Buildings.
Referencias Bibliográficas
- Boyano A, Hernandez P, Wolf O. Energy demands and potential savings in European office buildings: Case studies based on EnergyPlus simulations. Energy and Buildings, 65, 2013, Páginas 19-28.
- Comisión Europea. Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de diciembre de 2002, relativa a la eficiencia energética de los edificios. Diario Oficial de las Comunidades Europeas, 2003.
- Comisión Europea. Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios (refundición). Diario Oficial de la Unión Europea, 2010.
- Langdon, D. Life Cycle Costing (LCC) as a Contribution to Sustainable Construction, Guidance on the Use of the LCC Methodology and its Application in Public Procurement; Eurpean Commission: Brussels, Belgium, 2007; pp. 1–60.
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- UNE-EN ISO 14040:2006. Gestión Ambiental. Análisis del ciclo de vida. Principios y marco de referencia.
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