INTRODUCCIÓN a. Objetivo b. Motivación c. Planteamiento del problema: definición de la hipótesis d. Metodología e. Contenido de la tesis

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1 INTRODUCCIÓN a. Objetivo b. Motivación c. Planteamiento del problema: definición de la hipótesis d. Metodología e. Contenido de la tesis 1

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3 a. Objetivo La parametrización y evaluación del uso y la gestión de los edificios como factores que inciden en el consumo final de energía, es el planteamiento de partida de este trabajo, cuyo objetivo es demostrar de qué modo a través de una metodología adecuada es posible cuantificar, analizar y valorar dicha incidencia. 3

4 b. Motivación En enero de 1.999, fecha en que comencé los estudios de doctorado, el precio del petróleo era ligeramente superior a los $10 el barril (11,7 de la fecha). Desde entonces, a pesar de algunas fluctuaciones más o menos importantes el precio se ha ido incrementando paulatinamente hasta alcanzar niveles por encima de los $60 (49.2 aprox.) a septiembre del presente año. Esto se traduce en un incremento de 420% aproximado para un período de 6 años, es decir; por encima del 70% por año. Fig. 0.1 Evolución histórica del precio del petróleo. Fuente: El petróleo y sus derivados tienen una incidencia relevante en todos los ámbitos de la vida moderna y no hace falta entrar en detalles para comprenderlo. En el sector de la edificación la dependencia energética del petróleo y los combustibles fósiles tiene un peso considerable y no solamente con relación al consumo de recursos energéticos durante la vida útil del edificio, sino con relación a los materiales que se emplean para construir, la movilidad de las personas, etc. A pesar de los esfuerzos por impulsar el uso de fuentes energéticas limpias, la tendencia del consumo y la dependencia del petróleo tienden a aumentar progresivamente. Es necesario preguntarse si estamos diseñando y construyendo edificios adecuados a la realidad de consumo y dependencia actuales, y sobretodo, si gestionamos correctamente el uso de los recursos energéticos en los edificios, ya que probablemente la forma en que se consumen contribuye en gran medida a marcar y acentuar esta dependencia. La velocidad con que aumentan los precios no guarda ninguna relación con la velocidad con que nuestra sociedad cambia de hábitos y se aleja de la dependencia. La legislación que promueva decididamente la eficiencia energética, que penalice el despilfarro y favorezca las medidas alternativas, se abre camino a paso extremadamente lento, tratando de no incomodar a quienes se benefician de la situación y casi siempre con el rótulo de novedoso, innovador, curioso, cuando la realidad lo hace necesario, imprescindible y urgente. 4

5 Fig. 0.2 Consumo de energía en los edificios en Cataluña Fuente: ICAEN Desde el punto de vista de la arquitectura, proyectar un edificio, teniendo en cuenta todas las decisiones que conlleva, supone condicionar a los usuarios a satisfacer sus necesidades de confort interactuando de una determinada manera con el entorno, según las posibilidades que el edificio le permita. En estos términos el proyecto arquitectónico puede condenar a los usuarios al uso de sistemas externos consumidores de unas determinadas cantidades de energía para satisfacer sus necesidades. En las condiciones actuales y previstas de futuro con una clara tendencia al agotamiento de recursos y al incremento exponencial de su precio, lo que trasciende no solo al bolsillo de los usuarios (que pareciera ser la única alarma que llama la atención), sino al futuro del patrimonio común de los habitantes del planeta, esta condena puede ser larga y dolorosa. Desde el punto de vista personal, mi experiencia profesional como arquitecto ha estado relacionada desde siempre con la gestión de edificios, particularmente edificios universitarios, lo que me ha permitido aproximarme al problema del uso de los recursos de todo tipo en edificaciones que se gestionan de forma centralizada y donde la repercusión del consumo de recursos muchas veces no se traduce a los usuarios, facilitando la inconsciencia y la falta de sensibilidad respecto al despilfarro energético que esto supone. Se da por aceptado que los edificios consumen mucha energía para funcionar, se da por obvio que la forma de los edificios, su envolvente, los sistemas que posean o el uso que alberguen tienen mucho que ver. Pero cuanto influye cada uno de estos factores?, Cómo se mide esta influencia?, se puede medir?, De estos factores obvios, cuál tiene el mayor peso?. La motivación para realizar esta tesis no es otra que el interés por responder estas preguntas, y ya que mi forma de entender y abordar los problemas siempre ha sido empírica, esto significa que la única manera de responder estas preguntas es a partir del análisis de la realidad que me rodea: midiendo, preguntando, tocando, comparando. Este trabajo es un ejercicio de medir, preguntar, comparar, analizar, con el único de objetivo de intentar encontrar respuestas sencillas a estas complejas preguntas. 5

6 c. Planteamiento del problema: definición de la hipótesis De todas las fases del ciclo de vida de un edificio, es común suponer que la de uso y explotación es la de mayor consumo energético asociado. Los factores que condicionan e influyen en este consumo son diversos (El edificio, el lugar, el clima, el uso, las instalaciones, etc.) y han sido analizados en mayor o menor grado por diferentes especialistas. Entendiendo que el uso de un edificio está referido no sólo al conjunto de actividades que se desarrollan en él, sino también a los recursos energéticos que se utilizan para realizar dichas actividades y, lo que es más importante, satisfacer las necesidades de confort de los usuarios, el consumo de energía de una edificación estará relacionado con los diferentes usos energéticos que posea (alumbrado, climatización, equipamiento, etc.), y el consumo total final será la sumatoria de los consumos de cada uno de estos usos. CE TOTAL = 1 n Ce1 + Ce2 + Ce3... CeN (1) Como planteamiento de partida, se define que para cada uso energético el consumo debería estar relacionado con la energía que consumen los aparatos disponibles en el edificio en términos de Potencia instalada, el rendimiento que tengan dichos aparatos (en términos de energía útil/ energía consumida) y el uso que se haga de ellos (en términos de horas de utilización). Si se considera cada uno de estos factores como una variable a conocer, el consumo energético (teórico) podría comportarse de acuerdo a la solución de la siguiente ecuación en la que habría que definir la forma de interactuar y relacionarse de las diferentes variables: Donde: CE = P *η* U (2) CE = Consumo de energía P = Potencia instalada η = Rendimiento U = Uso * = Operadores a definir Para algunos usos energéticos (electrodomésticos, equipos de oficina, p. ejemplo), las variables de la ecuación planteada corresponderán a valores fijos relativamente fáciles de identificar, ya que no están asociados a factores externos que puedan modificarlas. Así, la potencia instalada será la potencia de los motores eléctricos de los aparatos, el rendimiento será el rendimiento nominal -supondremos que estadísticamente real- de las máquinas, y el uso será la cantidad de horas de utilización de los mismos. En usos energéticos como la iluminación artificial o la climatización, las variables de esta ecuación planteada pueden tener una gran variación en función de algunos factores adicionales que influyen en la definición de cada una de ellas. Si analizamos cada una de estas variables para un uso energético como la climatización por ejemplo, encontramos que la potencia instalada obedece a unas necesidades energéticas directamente relacionadas con el tipo de edificio, las características arquitectónicas y constructivas, el clima del lugar en que se encuentre ubicado, las condiciones del emplazamiento y el perfil teórico de uso y gestión previsto. Desde este punto de vista, más que de potencia instalada vale la pena hablar de demanda energética (D) El rendimiento deberá estar asociado no sólo a las máquinas que produzcan el frío o el calor en el edificio, sino al rendimiento medio (η) de todos los elementos que puedan asociarse al 6

7 sistema de calefacción o al sistema de refrigeración, en función de sus características técnicas y al perfil teórico de uso y gestión que se prevea. En cuanto al uso, se observa que tanto en la estimación de la demanda energética, como en el rendimiento medio de los sistemas, se ha considerado un perfil teórico de uso y gestión, relacionado de un lado con el uso de los espacios (ocupación) y de otro con la administración de los sistemas y recursos que se consumen en el edificio (gestión). Este perfil es teórico porque responde a unas determinadas condiciones de funcionamiento previstas, que en el caso del proyecto de nuevas edificaciones bastará con que estas condiciones se ajusten a la realidad del uso y la gestión del edificio para calcular el consumo de energía previsto. Pero en el caso del análisis de edificios existentes, juega un papel fundamental la gestión del edificio por lo que es necesario evaluar si el edificio funciona de acuerdo con las condiciones teóricas previstas, o si por el contrario, la realidad de funcionamiento del edificio difiere de lo previsto y existe un factor de gestión (Ge) que tendrá la misión de ajustar la variación de las condiciones teóricas previstas respecto a la realidad de uso y funcionamiento del edificio. Considerando lo expuesto la ecuación inicialmente planteada para los usos energéticos, en el caso de un uso como la climatización, podría suponer un cambio en algunas de sus variables de la siguiente manera: Donde: CE = D * η * Ge (3) Definición de la hipótesis CE = Consumo de energía D = Demanda energética (Edificio, clima, uso) η = Rendimiento medio de las instalaciones Ge = Factor de gestión * = Operadores a definir Al plantear esta ecuación, se pretende identificar la energía que un edificio debería consumir para satisfacer sus necesidades energéticas (demanda), la energía que se sacrifica en aras del rendimiento de los sistemas, y la incidencia que puede tener la variación de las condiciones de uso y gestión del edificio respecto a lo previsto teóricamente. Es importante considerar que, de todos los usos energéticos que posee un edificio, aquéllos que están directamente relacionados con la generación de condiciones de habitabilidad son la iluminación artificial y especialmente la climatización, con la mayor incidencia en el consumo final de energía (entre el 40-60% en función de la tipología de uso), lo que supone también la mayor incidencia del uso, de la arquitectura y del arquitecto como proyectista. A partir de este planteamiento, esta tesis se interesa por el análisis del consumo de energía para la climatización de los edificios, considerando los diferentes factores que determinan la ecuación planteada, así como la forma de interactuar y relacionarse entre ellos, planteamiento que se pretende desarrollar mediante el análisis de edificios concretos como muestra a estudiar. Hasta ahora, buena parte de las investigaciones relacionadas con el consumo de energía en los edificios y los factores que lo condicionan, dan por sentada la incidencia de 2 factores fundamentales: la demanda del edificio y el rendimiento de las máquinas. El uso y/o la gestión de los edificios no se consideran un factor independiente, sino que forman parte de los elementos que condicionan la demanda. Aunque en términos generales se puede estar de acuerdo con este planteamiento como base de análisis, se considera importante constatar que, en la realidad de consumo de energía en los edificios se observa que hay una gran dispersión de los resultados respecto a las 7

8 estimaciones previas, y que probablemente esta diferencia (en muchos casos bastante significativa), puede estar determinada en gran medida por la dispersión en los valores previstos de factores que pueden llegar a tener una gran variabilidad, como pueden ser el uso y la gestión de los edificios. De las investigaciones mencionadas, vale la pena destacar como referente principal en el contexto español el riguroso trabajo realizado en el marco del proyecto de Calificación Energética de Viviendas por el equipo dirigido por los profesores Servando Álvarez y Ramón Velásquez de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla (IDAE 1.999), y que se resume en el documento Fundamentos técnicos de la Calificación energética de viviendas. En este documento resumen se plantea que la dependencia funcional de la demanda energética de un edificio esta relacionada con el clima, la epidermis y las características operacionales y funcionales (COF) y se expresa de la siguiente manera: D= Ø (Clima, Epidermis, COF) Según lo expuesto en este documento de los tres factores, el único susceptible de control es la Epidermis; el clima es una condición del contorno inamovible, y las Condiciones Operacionales y Funcionales del edificio están prácticamente fijadas por las condiciones de confort a mantener y por la propia funcionalidad del edificio, (horario de funcionamiento, número de ocupantes, variabilidad de los mismos en el tiempo, etc.). Todo ello equivale a decir que si se quiere reducir el consumo energético, uno de los parámetros sobre los que se puede actuar es la demanda, y para reducir esta no cabe otro recurso que mejorar la calidad energética de la epidermis. A partir de estas consideraciones y de acuerdo al planteamiento del problema expuesto, la hipótesis que se plantea en esta tesis es que el uso y la gestión asociadas a las características operacionales y funcionales no son incontrolables, son parametrizables, controlables, y además merecen una consideración especial ya que determinan principalmente a cada uno de los restantes factores que intervienen en el consumo de energía. 8

9 d. Metodología Uno de los principales objetivos de esta tesis, es definir una metodología que permita a partir de la obtención de la información necesaria, valorarla y analizarla de forma adecuada para poder comprobar la hipótesis de partida. La metodología desarrollada en la tesis se ha estructurado en las siguientes fases: Muestra a estudiar En primer lugar, es necesario definir un tipo de muestra a analizar que permita obtener la información necesaria y suficiente para evaluar y despejar cada una de las variables de la ecuación planteada en la hipótesis de partida. De acuerdo con el planteamiento del problema, para conocer la incidencia de los diferentes factores que determinan el consumo de energía de un edificio, es necesario estudiar las características y analizar el desempeño energético de un edificio durante un determinado período. Esto significa que la muestra a analizar está compuesta por edificios, y que la primera característica a decidir será el tipo de edificio. Pero, además del tipo de edificio es necesario definir el tamaño de la muestra, ya que será fundamental disponer de suficiente cantidad de información que permita comparar y analizar cada una de las variables o factores que condicionan el consumo de energía. En este caso se consideró fundamental que la muestra incluyera más de un edificio, con diferencias y similitudes respecto a cada uno de los factores que a priori se considera que influyen en la demanda energética y el consumo de los edificios (La tipología arquitectónica y constructiva, el clima, el uso). Obtención de datos Una vez definido el tipo de edificio a estudiar, (ver capítulo 2) así como el tamaño y las características de la muestra, se ha planificado el trabajo de campo de manera que se obtuvieran, de una parte todos los datos relacionados con las características del edificio (arquitectónicas, constructivas, instalaciones, etc.) a manera de inventario, por tratarse de datos de mínima o nula variación (datos estáticos), y de forma paralela llevar el registro de cómo se consume la energía en el edificio, y como varían las condiciones ocupacionales y funcionales durante el período de estudio (datos dinámicos). Esta fase supone también coordinar los recursos necesarios desde el punto de vista logístico (acceso a los edificios, disponibilidad de información, etc.) y desde el punto de vista técnico para contar con los instrumentos necesarios para obtener la información de la forma en que se requiera (instrumentos de medición adecuados). Procesamiento de datos Es necesario clasificar y ordenar la información obtenida del trabajo de campo para garantizar su utilidad en el análisis posterior. En el caso de los datos estáticos que caracterizan al edificio y sus sistemas, se han establecido una serie de índices que permiten, bajo unas mismas unidades definidas, compararlos y valorarlos. Para los datos dinámicos que se iban obteniendo durante el período de análisis se diseñaron hojas Excel, que a modo de bases de datos han servido para clasificar, ordenar y disponer de la información de la manera más ágil posible. Análisis de las variables propuestas 9

10 En función de las características de cada una de las variables planteadas (demanda energética, rendimiento medio y factor de gestión), es necesario contar con las herramientas adecuadas para su análisis. Se han seleccionado diferentes instrumentos para cada caso, se trata de metodologías de análisis desarrolladas por grupos de investigación especializados en algunos casos, herramientas informáticas sencillas o software especializado. En otros casos ha sido necesario definir, de acuerdo a los objetivos del trabajo, el tipo de metodología o herramienta de análisis apropiada, lo cual constituye parte del aporte de la tesis. De esta forma, el análisis realizado permite, además de valorar las variables propuestas, establecer si existen las herramientas disponibles para parametrizarlas y analizarlas. Comprobación de la hipótesis La comprobación de la hipótesis de partida se realiza en primer lugar, definiendo la forma en que interactúan las diferentes variables para resolver la ecuación propuesta. Al operar y despejar la ecuación, se valoran los resultados obtenidos, se evalúan los objetivos iniciales, se revisa el planteamiento de partida, y se plantean escenarios alternativos de análisis que permitan establecer si es posible comprobar la hipótesis y plantear las conclusiones. Conclusiones y discusión final: El planteamiento y desarrollo de la tesis permite establecer conclusiones a diferentes niveles. Desde lo general en relación a la hipótesis de partida y a la resolución de la ecuación propuesta, y a partir del propio desarrollo y evolución del trabajo, se plantea la discusión y se extraen conclusiones por ámbitos específicos de las diferentes fases de la metodología empleada. El esquema que resume la metodología desarrollada es el siguiente: Fig. 0.3 Esquema general de metodología 10

11 e. Contenido de la tesis Siguiendo la metodología descrita, esta tesis se estructura en 6 capítulos que se desarrollan de la siguiente manera: En el Capitulo 1 se define el marco conceptual que determina el ámbito de influencia sobre el que se plantea la tesis. Se trata de la definición de algunos conceptos que se van a retomar y analizar a lo largo del desarrollo del trabajo, y que se considera fundamental definir como punto de partida, para situar el alcance del planteamiento y los objetivos de la tesis. No se pretende hacer una redefinición de estos conceptos, sino, a partir de la documentación consultada y las aportaciones recibidas tanto desde el programa de doctorado como desde la opinión de especialistas en cada ámbito, realizar un análisis desde el punto de vista del autor y desde la perspectiva del desarrollo de este trabajo de conceptos como: Los flujos de energía en la edificación, Eficiencia energética, Demanda energética, Uso y gestión de los edificios, y el impacto ambiental asociado a la edificación. En el Capitulo 2 se describe la selección y características de la muestra que será analizada y evaluada para comprobar el planteamiento de partida. En primer lugar se describen las condiciones de selección de los edificios a estudiar, y los estudios preliminares desarrollados dentro del programa de doctorado que sirvieron de base para la selección realizada. Al tratarse de un grupo de edificios se hace una descripción de las características de cada uno de ellos; en primer lugar se describen sus características generales que permiten identificar el entorno en que se encuentran, sus condiciones de funcionamiento y su tipología de uso. A continuación se hace una breve descripción de su tipología arquitectónica y constructiva y dados los objetivos del trabajo se hace un resumen de las características de sus instalaciones con énfasis en los sistemas de climatización que poseen. El trabajo de campo llevado a cabo para obtener la información necesaria de la muestra a estudiar se describe en el Capitulo 3, de acuerdo a la metodología propuesta, y se describe también la forma en que se organiza la información recogida para su posterior análisis. En la primera parte se describen los parámetros del trabajo, la coordinación logística y de recursos técnicos que se han empleado. A continuación se describe la forma en que se realizó el trabajo de campo, dividido como se ha mencionado en la metodología, en 2 fases; de un lado el inventario de las diferentes características y sistemas de cada edificio y de otra parte el seguimiento detallado del consumo energético y las condiciones ocupacionales y funcionales de los edificios. Se describe también la forma en que se organizó la información obtenida y que sin duda constituye la materia prima del trabajo de análisis realizado posteriormente. Ya que el trabajo desarrollado hasta este momento fue posible realizarlo gracias al soporte de la UPC en el marco de los trabajos de investigación del Laboratori REAL promovido por el CITIES (en ese momento la oficina del Pla de medi ambient ) en el proyecto denominado Indicadores del consumo energético de los edificios de la UPC, se resumen también las conclusiones del informe final presentado que sirven de punto de partida para el desarrollo de las fases posteriores de la tesis. A partir de la información obtenida en el trabajo de campo en el Capitulo 4 se desarrolla el planteamiento inicial analizando cada una de las variables de la ecuación propuesta con las herramientas de análisis que han sido seleccionadas y que permitirán obtener los resultados a valorar. 11

12 Cada variable se analiza utilizando las herramientas que se considera permiten valorar sus características de forma adecuada, para lo cual se utilizan tanto metodologías de análisis como programas informáticos desarrollados por diferentes equipos de investigación. El análisis de los resultados obtenidos permite realizar una valoración tanto de las variables analizadas como de las propias herramientas empleadas. La verificación y análisis del planteamiento inicial se desarrolla en el Capítulo 5 en el que se revisan los objetivos iniciales y se replantea el análisis propuesto. A partir de los datos obtenidos en el análisis de cada una de las variables, se analiza como pueden interactuar dichas variables numéricamente en la ecuación planteada, se obtienen unos resultados que permiten realizar una valoración inicial de los objetivos propuestos sobre los cuáles es posible plantear reinterpretaciones o reformulaciones de dichos objetivos, y de la hipótesis de partida. Las conclusiones se resumen en el Capítulo 6 en donde se plantean también las líneas de investigación que se considera pueden abrirse a partir de la investigación realizada. Las conclusiones de la tesis se dividen de un lado en las conclusiones generales referidas al análisis global de la hipótesis planteada, los resultados obtenidos y la valoración de los mismos y de otro lado se plantean conclusiones relacionadas a ámbitos específicos del trabajo y que se considera deben valorarse de forma puntual dentro de la propia tesis. 12

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