Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autor
- Rafael Alonso Candau, Director, ATMOS lab
Resumen
La constante revisión de normativas ha llevado a una efectiva reducción del consumo energético de edificios nuevos. Simultáneamente, el avance en energías renovables disminuye el contenido en CO2 de la energía que éstos usan. Debido a esta progresiva decarbonización de la energía y menor consumo energético, las emisiones de CO2 asociadas a la construcción de las edificaciones y fabricación de sus materiales aumentan proporcionalmente, llegando a sobrepasar las asociadas a su operación durante todo su ciclo de vida (El Khouli et al, 2015). Sin embargo, éstas no están reguladas ni los estándares desarrollados. El presente artículo recoge el análisis de cinco edificios pioneros, cuyo diseño se centró tanto en la reducción de su consumo energético (55-75% inferior a la normativa británica), como en la reducción de su huella de carbono, de un valor absoluto equiparable. Para concluir, un análisis conjunto permite extraer tendencias y comparar su eficacia con a los estándares más recientes aplicables a edificios de oficinas.
Introducción
Las emisiones de CO2 de edificios están directamente relacionadas a la energía que éstos consumen, sin embargo, debido a su progresiva reducción, la importancia de su huella de carbono aumenta proporcionalmente (Fig. 1). En un estudio realizado por Deloitte y dcarbon8 (2007) se calculó la huella de carbono de un edificio de oficinas, equivalente al 40% de las emisiones totales y aumentando hasta el 66% al considerar la decarbonización de la electricidad. Sin embargo, no hay normativa al respecto y su consideración durante la concepción y el desarrollo del proyecto arquitectónico es casi inexistente. A continuación, se evalúa la efectividad de varias estrategias de diseño en reducir el consumo energético de oficinas y su huella de carbono.
Metodología
La información sobre los casos de estudio se ha extraído de publicaciones, visitas a los edificios, correspondencia con los equipos técnicos, informes energéticos y simulaciones por ordenador. Se ha considerado un período de 60 años de operación sin contar la progresiva decarbonización de la electricidad. Las emisiones de CO2 asociadas a construcción y materiales se han calculado teniendo en cuenta desde la extracción de materias primas hasta que los productos abandonan la fábrica. Se han descontado el transporte por falta de datos, el CO2 secuestrado en la madera y consideraciones sobre final de la vida útil de los edificios. Los factores de emisiones de CO2 utilizados son: 0.194 kgCO2/kWh para calefacción por gas y 0.55 kgCO2/kWh para refrigeración eléctrica (Green Construction Board, 2013). Como valores referencia se ha utilizado la normativa británica de consumo energético y las publicaciones más recientes sobre la huella de carbono: WRAP (2016), Atkins (2010), Clark (2013) y Wolf (2015).
Casos de estudio
Los casos de estudio, cinco edificios de oficinas pioneros, definieron en el momento de su inauguración un nuevo estándar de sostenibilidad en sus respectivos países:
Edificio Elisabeth Fry – Norwich, Reino Unido
El edificio Elisabeth Fry (Fig. 2) fue concebido como modelo de eficiencia energética en el campus de la Universidad de East Anglia, aunque contaba con el presupuesto de un proyecto convencional. Inaugurado en 1995, acoge un programa mixto de oficinas individuales, aulas y salas de conferencias. La planta, de proporción rectangular alargada y orientada a sureste-noroeste, está dividida por un corredor central que da acceso a oficinas individuales a ambos lados. Acabado en enfoscado blanco sobre un zócalo de piedra, cabe destacar la estructura de placas alveolares de hormigón, que quedan expuestas en el interior.
Funcionamiento bioclimático
Durante el verano, una adecuada proporción de huecos y persianas venecianas controlan la ganancia solar. Se eligió una estrategia híbrida de ventilación debido a la compartimentación de la planta, lo que dificulta la ventilación cruzada. Además de ventanas operables, el edificio utiliza el sistema Thermodeck: el aire entrante se pre acondiciona al hacerlo circular por los alveolos del forjado antes de acceder a los espacios. De esta manera la inercia térmica de la estructura se utiliza al completo para amortiguar los picos de temperatura diurnos. En invierno, los huecos orientados a sur aumentan la ganancia solar, junto a un adecuado aislamiento, reducen el consumo energético a 31 kWh/m2 para calefacción. El edificio no consume energía para refrigeración, más allá de los ventiladores que conducen el aire por los forjados.
Huella de carbono
El equipo de proyecto no consideró la huella de carbono durante su desarrollo, que ha sido calculada por el autor con información publicada. La economía de sus materiales, su forma compacta y el reducido uso de acabados interiores resultan en 605 kgCO2/m2 aproximadamente.
Eawag Forum Chriesbach – Zurich, Suiza
Forum Chriesbag es el resultado de un concepto visionario de sostenibilidad ecológica que define las nuevas oficinas del Instituto Federal Suizo de Ciencia y Tecnología (Fig. 3). Situado en los alrededores de Zurich, marca el final de la avenida que le da acceso y determina el límite sureste del parque colindante. El edificio, de forma rectangular compacta, se organiza alrededor de un atrio que funciona como lugar de encuentro central. Su imagen exterior está definida por una segunda piel de lamas verticales translúcidas.
Funcionamiento bioclimático
Durante el verano se utiliza una estrategia híbrida de ventilación: ventanas operables combinadas con el efecto chimenea inducido por el atrio y tubos canadienses. La estructura de hormigón acumula el calor diurno, evacuado por la noche gracias a ventanas automatizadas. Además, para minimizar la ganancia solar, las protecciones solares pivotan siguiendo el movimiento solar. Durante el invierno, la posición de éstas se invierte maximizando la radiación incidente. La cubierta acristalada del atrio contribuye a calentar este espacio intersticial, reduciendo las pérdidas de calor desde espacios colindantes. La alta compacidad del proyecto limita la pérdida de calor a través de la envolvente, resultando en un consumo de 14 kWh/m2año para calefacción. El consumo de refrigeración es prácticamente nulo, 1 kWh/m2año.
Huella de carbono
El equipo de diseño consideró la huella de carbono del edificio desde la fase de concurso. Su forma, muy compacta, reduce notablemente el uso de materiales por m2 de suelo. Además, se utilizó escoria de alto horno como sustitutivo parcial del cemento y las particiones interiores están construidas con madera, adobe y caña. La huella de carbono es de 569 kgCO2/m2, calculada por el equipo redactor del proyecto.
Oficinas de Woodland Trust – Grantham, Reino Unido
Woodland Trust definió sus futuras oficinas centrales como un edificio de alta calidad, pero de coste e impacto ambiental reducido (Fig.3). Situado en un centro de negocios, el edificio tiene forma de espiral ascendente desde la parte sur (de una planta), hasta la norte (de tres alturas). El acceso se efectúa a través del patio central, quedando las salas de reuniones en la zona sur, las oficinas en la norte, y los demás espacios no ocupados regularmente en la oeste. La estructura es de madera contralaminada (CLT) y el proyecto incorpora una estrategia de escritorio remoto, sólo monitores y periféricos se encuentran en la zona de oficinas.
Funcionamiento bioclimático
En invierno, la forma del edificio permite el soleamiento de las oficinas. La ganancia solar y el elevado aislamiento reducen el consumo energético hasta los 23 kWh/m2año para calefacción. Durante el verano, se confía en ventilación natural cruzada potenciada por el efecto chimenea (generado por las aperturas en planta). Ventanas automatizadas permiten regular la ventilación nocturna y evacuar el calor acumulado durante el día. Para aumentar su inercia térmica y eficacia, se incorporan unos radiadores de hormigón en el techo. Los huecos orientados a sur tienen aleros, y un panel de madera en la parte superior del alzado norte garantiza el funcionamiento del efecto chimenea. Con un consumo anual de 5 kWh/m2 para refrigeración, sólo la zona de servidores está acondicionada.
Huella de carbono
El equipo de diseño se centró en reducir la huella de carbono del edificio a través de la especificación de materiales. Con una estructura de madera contralaminada, aislamiento de fibra vegetal, y fachada de madera únicamente el hormigón de los cimientos y los radiadores de los techos presentan un impacto ambiental notable. En total, la huella de carbono del edificio es de 307 kgCO2/m2, calculada a partir de información publicada.
Oficinas de WWF UK – Woking, Reino Unido
Las oficinas de WWF en Reino Unido (Fig.4), inauguradas en 2013, definieron una drástica reducción en consumo energético y huella de carbono ya desde el comienzo del proyecto. El edificio está formado por una plataforma de hormigón de dos niveles elevada sobre un antiguo aparcamiento preexistente, que debía ser conservado. Sobre ella se construye una cubierta abovedada de madera. WWF logró reducir el número de puestos de trabajo necesarios un 33% a través de una política de trabajo flexible, hot desking, aumentando notablemente la densidad de uso.
Funcionamiento bioclimático
La alta densidad de uso genera un elevado calor interno, lo que hace del verano el periodo más problemático. Todas las zonas acristaladas están protegidas del sol, incluyendo los lucernarios, cuya persiana tipo roller se opera automáticamente. En cuanto a ventilación, se aplica una estrategia de ventilación híbrida: tubos canadienses y ventanas operables accionadas por los usuarios. Éstas poseen un indicador que, cuando la temperatura exterior excede 27ºC, se ilumina en rojo indicando el funcionamiento de los tubos canadienses. Tanto la plataforma de hormigón, como un material de cambio de fase integrado en los techos, dotan al edificio de inercia térmica para amortiguar picos de temperatura diurnos. Durante el invierno, los tubos canadienses y un sistema de recuperación de calor reducen el consumo de calefacción hasta 4 kWh/m2. El consumo de refrigeración es 12 kWh/m2 al año.
Huella de carbono
La huella de carbono está determinada por la forma del edificio, definida por las condiciones prexistentes del lugar. La estrategia de proyecto se centró en optimizar la elección de materiales y garantizar la deconstrucción al final de su vida útil. Se sustituyó un 50% del cemento (GGBFS) y un 31% de los áridos son reciclados. Además, se utilizaron madera y materiales con alto contenido reciclado para los acabados interiores. La construcción se pensó para ser deconstruida, quedando sólo una plataforma de hormigón multifuncional al final de su vida útil. La huella de carbono del proyecto es de 731 kgCO2/m2, si bien su alta densidad de uso conlleva una mayor eficacia en cuanto a emisiones de CO2 por usuario.
Centro de Empresas – Norwich, Reino Unido
El Centro de empresas de la Universidad de East Anglia se definió desde su concepción como un edificio ejemplar, respondiendo a la presión existente por el éxito de proyectos previos en el campus. Para ello el equipo técnico evaluó la huella de carbono y consumo energético en cada etapa del proyecto. El edificio, situado junto a la carretera que da acceso al campus, se resuelve con un patio central que distribuye dos alas principales a cada lado, orientadas norte-sur. Éste se completa con la pérgola que le da acceso por el este, quedando el invernadero de empresas en la zona norte y la zona académica en la sur.
Funcionamiento bioclimático
Durante el invierno, una buena proporción de superficie de huecos (58%) en el alzado sur aumenta la ganancia solar mientras que, por otro lado, el alzado norte limita las aperturas (30%) para minimizar las pérdidas de calor. Exigido por el sistema Passivhaus, la estrategia de ventilación se centra en un sistema de recuperación de calor del aire extraído. En verano, las rejillas que extraen el aire durante el invierno se abren y permiten la ventilación a través de los lucernarios. Por motivos de seguridad, las ventanas exteriores son fijas y sólo una rejilla es operable, sobre las que se extiende unas grandes protecciones solares. La inercia térmica se confía a una capa de 7cm de hormigón en el forjado (la estructura completa es de madera). El consumo energético anual es de 8 kWh/m2 para calefacción y 6 kWh/m2 para refrigeración.
Huella de carbono
El equipo de diseño realizó una amplia investigación sobre materiales naturales para reducir la huella de carbono. Éstos se utilizaron en numerosas partes del proyecto, desde su innovadora fachada de paja local a acabados internos textiles, de caña o espuma de celulosa. Sólo la capa de hormigón del forjado y cimientos representan la mayor parte del impacto ambiental, pues el resto de la estructura es de madera. A pesar de tener un coeficiente de forma elevado, el extensivo uso de materiales naturales reduce significativamente la huella de carbono a 409 kgCO2/m2.
Resultados y conclusiones
Una comparación de los resultados del apartado anterior con los estándares actuales permite evaluar la efectividad de las estrategias de reducción de CO2 de los casos analizados, tanto durante su uso como su construcción (Fig. 6). El ahorro energético de los edificios se traduce en una reducción en sus emisiones de CO2 comprendida entre el 55% y 75% comparado con la normativa británica. Por otro lado, la huella de carbono de todos ellos es inferior o comparable al límite inferior de los estándares (situados a la izquierda de la gráfica). La reducción en su huella de carbono es mayor o de un valor absoluto equiparable a la reducción de las emisiones asociadas a su operación (calefacción y refrigeración) con respecto a la normativa.
Como conclusión, se observa que las estrategias de diseño introducidas durante la concepción y desarrollo de los proyectos tienen un impacto significativo en sus emisiones de CO2 totales, reduciéndolas notablemente con respecto a los estándares. Debido al estado de normativas actuales y la tendencia futura de decarbonizacion energética, la huella de carbono de nuevos proyectos va adquiriendo una mayor importancia a la hora de diseñar nuevos edificios. Su consideración durante el proceso de diseño permite identificar y definir estrategias para la reducción de CO2, que de otra manera pasarían desapercibidas.
Referencias
- Atkins, 2010, Masterplanning Tool
- Clark D., 2013, What colour is your building? Royal Institute of British Architects, London UK.
- De Wolf C., F. Yang, D. Cox, A. Charlson, A. S. Hattan, J. Ochsendorf, 2015, Material quantities and embodied carbon dioxide in structures. Engineering sustainability journal. Proceedings of the Institution of Civil Engineers.
- Deloitte, dcarbon8, 2007, Ropemaker Place Lifecycle Carbon Assessment – British Land. Ver: http://www.britishland.com/~/media/Files/B/British-Land-V2/press-release/2010/BL-Ropemaker-Carbon-Deloitte.pdf
- El Khouli S., John V., Zeumer M., 2015, Sustainable Construction Techniques. From structural design to interior fit-out: Assessing and improving the environmental impact of buildings. Detail Green Books, Munich.
- Green Construction Board, 2013, The low carbon routemap for the built environment.UK Green Building Council. Ver http://greenconstructionboard.org/index.php/resources/routemap
- Hoare Lea, David Lock Associates, Gardiner & Theobald, 2015, Greater London Authority Non-Domestic Carbon Dioxide Emissions Target: Feasibility and viability study.
- Wrap, 2016, Green Building Council. Embodied Carbon Database. Ver: http://ecdb.wrap.org.uk