Edificio de Energía Casi Nula con integración de energías renovables y generación energética autosuficiente para el sector terciario: Edificio LUCIA

Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:

Autores

• Francisco Valbuena García, Arquitecto, Universidad de Valladolid
• María Jesus González Díaz, Arquitecta, Torre de Comares Arquitectos

Resumen

El edificio LUCIA, para investigación biomédica, es referente en arquitectura sostenible y eficiencia energética. Las reducciones de demanda: 61% iluminación, 90% calefacción y 41% refrigeración, se consiguen mediante diseño bioclimático, mejora de envolventes, instalaciones y equipos de alta eficiencia, integración de energías renovables como geotermia, fotovoltaica y un avanzado sistema de gestión. El uso de biomasa supone un edificio Cero CO2, utilizado en un sistema de cogeneración que suministra la energía eléctrica y térmica demandada, idóneo para el autoabastecimiento. Se ha incidido en la gestión del agua y residuos, uso de vegetación y materiales de bajo impacto ambiental, etc. Ha sido simulado energéticamente con E-Quest, posee calificación A y opta a platino en certificación LEED y 4 hojas en VERDE, con una inversión de 8.225.000€ (IVA incl.), para 7.500 m2 construidos.

Introducción

A causa de la Directiva 2010/31/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de los edificios, se han de establecer los datos concretos para la definición exacta de lo que es un edificio de energía casi nula. Será necesario definir unos rangos de demanda numéricos concretos y un valor de uso de energía primaria expresado en kWh/m2 por año. A este respecto, el Documento Básico del Código Técnico de la edificación, CTE- DB-HE, presentado en el BOE 12/09/2013 recientemente, supone un paso hacia adelante con respecto a las anteriores versiones en lo referente a edificios de uso de viviendas, estableciendo números absolutos frente a la comparación con “el edificio de referencia”. El problema es sin embargo más difícil en lo que se refiere a otros usos, y especialmente a edificios del sector terciario. Las características exigibles, sobre todo en el tema de ventilación y calidad de aire interior para este tipo de edificios, hacen más complejo el problema.

Desde este punto de vista, el edifico que se presenta, llamado LUCIA, diseñado desde su origen hacia un edificio donde concentrar el conocimiento disponible sobre arquitectura sostenible, y también específicamente en materia de energía cero, se presenta como un caso de estudio cuyas conclusiones pueden ser difundidas y servir como caso de referencia. El hecho de haber sido evaluado y certificado por terceras partes, y de prever su monitorización una vez en uso (el edificio fue inaugurado el 4/02/2014), ofrecerá un interesante campo donde investigar, refrendar o verificar las estrategias utilizadas y sus alcances, así como los  puntos flacos de los diferentes campos de las normativas que entren en contradicción con los objetivos.

La importancia de los aspectos educativos del edificio y su potencial formativo, el papel de los propios usuarios en la gestión del edificio, etc., son temas que complementan y son necesarios para la obtención de un edificio sostenible, sin los cuales es difícil conseguir el objetivo de los edificios cero-energía. Por ello, es especialmente interesante un edificio donde desde el principio se han tenido en cuenta estos otros muchos aspectos que superan la atención exclusiva a  su mantenimiento energético.

Descripción de actuaciones

El edificio, en Valladolid, está destinado a laboratorios y centros de investigación de la Universidad. Se han implementado en él numerosas actuaciones y estrategias en campos como los sociales, los referidos al entorno, accesibilidad, agua, residuos, vegetación, biodiversidad, selección de materiales, reducción de contaminantes, potencial formativo, etc., además de un fuerte impulso en materia energética. Se han desarrollado formas de diseño, estrategias bioclimáticas y técnicas constructivas que hacen del edificio lugar de investigación y alcances en las variadas materias que constituyen la complejidad de la sostenibilidad. Impactos ambientales de la edificación, como emisión de productos foto-oxidantes, influencia en la pérdida de la vida acuática, en la pérdida de la fertilidad del suelo, en el agotamiento de los recursos hídricos, etc., han sido fuertemente evitados.

La obtención de los excelentes resultados del edificio, no sólo en materia energética, sólo es posible mediante la integración arquitectónica de todos los aspectos que concurren en él, comenzando por la forma y el diseño. (Valbuena, González, 2011) [1]. Ha sido certificado y evaluado por entidades externas, herramientas E-Quest, LEED, optando a platino [2], VERDE (optando a máximas calificaciones) [3]; y su certificación energética es A.

En cuanto a su  funcionamiento energético, la demanda energética ha sido muy reducida mediante un diseño formal y las estrategias bioclimáticas siguientes:

• Elementos bioclimáticos son, entre otros, una alta compacidad (el edificio presenta un factor de forma 0,37 m-1 para sus 5.920 m2 acondicionados, lo que supone un ratio difícilmente mejorable), y un cuidadoso análisis de la radiación solar incidente en los huecos. La forma del solar exige largas fachadas en orientaciones Sur-Oeste y Norte-Este, por lo que se ha realizado un cuidadosísimo estudio de reorientación en el diseño de los huecos combinado con los aleros en las orientaciones soleadas. Esto define la forma en dientes de sierra de las fachadas (Fig.1). Los huecos, con este sistema, se orientan al Sur y al Este en una proporción del 89% de su superficie, lo que produce ganancias térmicas en invierno, un efecto de auto-sombreamiento en verano que reduce las cargas de refrigeración, y al mismo tiempo se asegura la iluminación natural. Se considera que la reducción en la carga de refrigeración del edificio conseguida mediante este procedimiento de diseño se cifra en torno a los 40 kWh/m2 al año. Este cálculo se ha realizado mediante la comparativa entre dos hipótesis de edificios con idénticas situaciones, orientaciones, aislamientos y composición de la envolvente, pero uno con estos elementos en diente de sierra y otro sin ellos, totalmente liso.

• El aumento del aislamiento en la envolvente térmica por encima de los mínimos exigidos por la normativa ha sido otro elemento de gran importancia. Los coeficientes de aislamientos utilizados, muy importantes, (U=0,17 W/m2K en fachadas y U= 0,15 W/m2K en su cubierta vegetal) limitarán las pérdidas por transmisión y por tanto reducción de la demanda.
• La iluminación natural, además de tener efectos beneficiosos sobre la salud y el bienestar, reduce la demanda eléctrica de iluminación artificial. La decisión de realizar un edificio compacto se ha combinado con el aumento de la iluminación natural en los espacios interiores mediante el uso de lucernarios sobre los cuerpos de escaleras (Figura 2) y la colocación profusa de pozos de luz (Solatube, en total 27 unidades) (Figura 3). Los beneficios obtenidos por este sistema son excelentes: se trata de elementos estáticos, que utilizan simplemente el efecto del reflejo de la luz incidente, por lo que no requieren energía para su funcionamiento (Valbuena, González, 2013)[4]  Según la simulación realizada, los 146,190 kWh anuales para iluminación que necesitaría el edificio de referencia (criterio ASHRAE), en el edificio LUCIA se reducen a 74,790 kWh  (aproximadamente la mitad) gracias a estos dispositivos. (Figura 4)

• Además de ello, se ha establecido el control y medidas de gestión en los sistemas y en las instalaciones. En iluminación se ha empleado un sistema de gestión en función de la ocupación y nivel de iluminación natural, con Instalación de winDIM2net, basado en software para control, sensores de presencia y sensores lumínicos en función de la iluminación exterior. En otras instalaciones y equipos (ascensores, elementos de iluminación, recuperadores de energía y calor, etc.) se ha considerado aquellas soluciones de mayor eficiencia energética.

Demanda energética final del edificio

Con todas estas estrategias se consiguen importantes reducciones en demandas de iluminación (61%), calefacción (90%) y refrigeración (41%), hasta obtener una demanda final para el edificio de 82 kWh/m2 año [5]que incluye calefacción, refrigeración, ventilación, ACS, iluminación y electricidad, según la modelización realizada con el sistema DOE-2 mediante el programa E-Quest 3.64. Es de señalar cómo la ventilación exigida según registros del RITE es uno de los elementos de mayor dificultad para reducir demanda energética. Sin embargo, las condiciones climáticas propias de España y la colaboración de los usuarios podrían ser consideradas para la utilización de sistemas pasivos en esta área, tal como señalan los recientes estudios científicos. (Ward et all, 2012)[6], (Janda, 2011)[7]

Una vez reducida la demanda, toda la energía que se consume en el edificio, incluida la requerida por el equipamiento, se consigue mediante energías renovables que se describen a continuación. Un sistema de cogeneración a pequeña escala basada en gasificación de biomasa, junto con una máquina de absorción, cubre la mayor parte de las demandas eléctricas (100 kWe) y térmicas del edifico (180 kWt), lo que permite considerar negativas sus emisiones de CO2.

Uso de energías renovables

Geotermia aplicada como apoyo al sistema de ventilación

Se ha combinado un recuperador entálpico en la unidad de tratamiento de aire, con un sistema de geotermia tierra-aire para el sistema de ventilación del edificio. Este sistema de apoyo consiste en la instalación de tubos geotérmicos que precalientan o enfrían el aire, según las estaciones, previamente a la entrada en el circuito (Figura 5). El equivalente energético de la aportación de este sistema es de 25,000 kWh. Se reduce con ello el consumo de energía eléctrica para acondicionar el aire interior, y se inicia el camino para la explotación de este sistema a mayor escala.

Integración arquitectónica de energía solar fotovoltaica

Se integra en el edificio la energía fotovoltaica en dos espacios idóneos permitiendo además filtrar la fuerte incidencia de luz natural al interior:

• Lucernarios sobre los cuerpos de escaleras (Figura 6). Donde los vidrios fotovoltaicos sombrean el interior.

• Muro tipo cortina de doble piel en la fachada Sur-este en espacios comunes de descanso (Figura 7 y 8), que permite sombrear estos espacios y generar una cámara ventilada durante las épocas de calor.
• La fachada de doble piel produce anualmente 5,000 kWh y los lucernarios 5,500 kWh, lo que supone un ahorro anual de 3.570 euros. Contribuyen al balance positivo de energías renovables del edificio e impulsan la investigación en esta materia. Para el posible sobrecalentamiento de la cámara se han estudiado soluciones específicas que pueden incluso reducir hasta 4ºC la temperatura (Figura 14). [8]

Sistema de cogeneración con biomasa

En zona específica del edificio (Figura 9), se ha instalado el equipo de cogeneración de biomasa.

De la descripción del sistema utilizado en el edificio LUCIA (Valbuena, Horrillo, 2013)[9] se resume lo siguiente:

Se ha optado por utilizar una tecnología desarrollada por la Fundación Cidaut para la cogeneración a pequeña escala basada en gasificación de biomasa. La tecnología implementada utiliza un reactor de gasificación de corrientes paralelas que transforma la astilla de madera en un gas combustible (gas pobre) que tras ser acondicionado es utilizado en motores de combustión interna alternativos para cogenerar energía eléctrica y térmica. El sistema permite obtener 100 kW de energía eléctrica en los motores y más de 180 kW de energía térmica aprovechando el agua de refrigeración de los motores y la entalpía de sus gases de escape. La energía térmica se extrae del sistema en forma de agua a 90 ºC lo cual es fundamental para la utilización eficiente de la máquina de absorción ubicada en el edificio. Los 100 kWe de potencia de generación eléctrica del sistema de cogeneración permiten cubrir las demandas anuales de electricidad, y los 180 kWt térmicos generados satisfacen en valor medio las necesidades térmicas al nivel térmico requerido por la máquina de absorción encargada de suministrar la refrigeración al edificio.

El sistema se encuentra conectado a la red eléctrica, posee una caldera de biomasa de apoyo y un disipador de calor que permiten adaptar el suministro energético a variaciones instantáneas de la demanda energética del edificio a lo largo de todo el año. Finalmente, para el edificio LUCIA en un consumo de astillas de biomasa para el autoabastecimiento energético de 135 kg/h.

Los aspectos destacados de este sistema:

• Por su elevado rendimiento eléctrico y su relación calor-electricidad la tecnología de gasificación de biomasa y aprovechamiento en motor de combustión interna alternativo a pequeña escala constituye una nueva oportunidad para el suministro energético eficiente mediante un recurso renovable en edificios del sector terciario.
• Por su tamaño y concepción, esta tecnología permite la distribución de los componentes que lo constituyen de forma adaptada a la disponibilidad de espacios en las salas de instalaciones de los edificios.
• En el edificio LUCIA se ha implementado una instalación que integra el sistema de cogeneración de biomasa desarrollado por Cidaut con elementos de apoyo en la generación, acumulación térmica y disipación para una adaptación eficaz de la generación energética a la demanda del edificio, que incluye una máquina de absorción.
• Al igual que el resto de elementos y sistemas que han sido instalados en el edificio LUCIA, este sistema será experimentado durante los próximos años para su adaptación máxima al diseño y la operación de este tipo de edificios. En este sentido la Universidad de Valladolid y la Fundación Cidaut han firmado el acuerdo «Investigación para la integración eficiente de tecnologías de gasificación de biomasa con objeto de cubrir las demandas térmicas y eléctricas de edificios del sector terciario dentro de un esquema de Edificios de Energía Casi Nula”.

Conclusión

El edifico LUCIA (Lanzadera Universitaria de Centros de Investigación Aplicada) destinado a laboratorios y centros de investigación, es referencia en eficiencia energética y arquitectura sostenible, incluidos sus aspectos sociales y económicos.  Las evaluaciones y valoraciones realizadas sobre el edificio, certificadas por terceras partes, y las monitorizaciones que previsiblemente se realizarán durante su vida útil, ofrecen y ofrecerán datos relevantes y  concretos que pueden arrojar luz y colaborar a la definición del “edificio cero energía” tal como señala la Directiva 2010/31/CE, en el campo de los programas terciarios.

En materia energética, en el edificio LUCIA se han desarrollado formas de diseño, estrategias bioclimáticas, técnicas constructivas y sistemas de producción que consiguen importantes reducciones en demandas de iluminación (61%), calefacción (90%) y refrigeración (41%), hasta obtener una demanda final para el edificio de 82 kWh/m2 año que incluye calefacción, refrigeración, ventilación, ACS, iluminación  y electricidad, según la modelización realizada con el sistema DOE-2 mediante el programa E-Quest 3.64. Finalmente, la demanda de energía, muy reducida, es suplida en su totalidad por energías renovables. Es propiamente un edificio de  Cero Energía y edificio Cero CO2, gracias a la coordinación y coherencia entre el diseño bioclimático, los sistemas y tecnologías más eficientes y el uso de energías renovables con exclusividad.

Es pues un edificio que sirve de referencia para reducir la dependencia energética de los combustibles fósiles. Aprovecha la energía del terreno, la del sol que incide sobre el edificio, y la de un recurso local (la biomasa), tanto para la climatización en su totalidad como para la producción de la energía eléctrica necesaria para el edificio, e incluso exportar a otros edificios de la propio campus en forma de distrito.

Además de ello, en el edificio se investiga en usos y flexibilidad tipológica, en la preservación de otros recursos naturales como el agua, y en la reducción de otros impactos ambientales, aprovechando  sistemas vegetales, y en general aplicando de criterios de sostenibilidad en la edificación, incluidos sus potenciales sociales y formativos.

El edificio ha sido financiado por la Junta de Castilla y León y Fondo Europeo de Desarrollo Regional 2010-2012 (Figura 10).

Referencias

• [1] VALBUENA, F. GONZÁLEZ, MJ. Edificio de energía CERO: comenzando por la arquitectura. Caso práctico del edificio LUCIA de la Universidad de Valladolid. CONAMA12
• [2] [5] VEGA INGENIERÍA. Modelización energética del edificio LUCIA de Valladolid. Noviembre 2013
• [3] GONZÁLEZ DÍAZ, MJ. Evaluación del edificio LUCIA / Herramienta V.E.R.D.E (BGCE).
• [4] VALBUENA,F. GONZÁLEZ, MJ. The complete eco-design as the first strategy to reach the zero CO2 building in Spain: The Lucia Building Case. Energy for Sustainability 2013- Sustainable cities. designing for people and the planet- Coimbra-Portugal. September 8-10.
• [6] WARD J. K., WALL J.& PERFUMO C. (2012) Environmentally active buildings: the controls challenge, Architectural Science Review, 55:1, 26-34.
• [7] JANDA K. B. (2011) Buildings don’t use energy: people do, Architectural Science Review, 54:1, 15-22.
• [8] ESTUDIO PICH-AGUILERA. Análisis del comportamiento del muro de doble piel fotovoltaica en el edificio LUCIA.
• [9] VALBUENA, F, HORRILO, A. Sistema de cogeneración con astilla de biomasa instalado en el edificio LUCIA de la Universidad de Valladolid. Rev. El Instalador, ISSN 0210-4091, Nº 510, 2013, págs. 42-48.