Artículos. [Artículo] <Optimización energética de Edificios de viviendas> Aplicación sobre fases de anteproyecto o de proyecto básico

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1 [Artículo] <Optimización energética de Edificios de viviendas> Aplicación sobre fases de anteproyecto o de proyecto básico 1. Introducción Cada día se muestra con más importancia el trato de la cuestión ambiental y la sostenibilidad entre la arquitectura y edificación tanto residencial como para edificios terciarios. Cada vez son más los concursos que valoran específicamente el trato de este aspecto en el proyecto o incluso se utiliza como un mejor argumento de venta. Rafael Salmerón Lissen, Arquitecto por la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla en Doctor Arquitecto en materia de Arquitectura y Medio Ambiente, con el título Procedimiento de Diseño de Edificios de Alta Eficiencia Energética para Tipologías Edificatorias Básicas, dirigida por el Doctor Arquitecto D. José María Cabeza Laínez [Departamento de Historia, Teoría y Composición Arquitectónica] en la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla en Desde 2007, compagina su propio estudio de arquitectura SAMLER con la investigación en eficiencia energética edificatoria en el Departamento de Termotecnia de la Escuela Superior de Ingenieros, junto a los Catedráticos D. Servando Álvarez y D. Jose Luís Molina, expertos en la materia, y cuyo grupo de investigación es de reconocido prestigio tanto a nivel nacional como internacional. Durante los últimos dos años se han incluido a estas actividades la de formador. Ha impartido cursos para el Colegio Oficial de Arquitectos de Sevilla, a través de su Fundación para la Investigación y el Desarrollo de Arquitectos [FIDAS], y clases magistrales en diverdad universidades como la de Cádiz, para la Escuela de Ingenieros Técnicos; Cáceres y Badajoz, para las de Escuelas de Arquitectura Técnica; o Sevilla, para la Escuela Superior de Ingenieros y de Ingenieros Técnicos. Rafael Salmerón Lissen rsalmeron@samler.es Sin embargo es necesario, para comenzar, marcar que la certificación de eficiencia energética de edificios y el cumplimiento del código técnico de la edificación son procedimientos diferentes. Es muy común que se confundan los órdenes y los fines de estos. En una época de amplio desarrollo edificatorio, el cambio de las normativas básicas y la aprobación de nuevos procedimientos han generado grandes confusiones entre el sector mas consolidado. Por tanto, aprovechamos esta oportunidad para aclarar un concepto básico antes de profundizar en la arquitectura bioclimática y la alta calificación energética. Por un lado, se debe verificar que se satisfacen los requisitos mínimos del CTE-HE1 (limitación de la demanda energética de calefacción y refrigeración) el proyectista puede optar por cumplir estrictamente unos determinados valores que marcan la calidad térmica de los elementos de la envuelta de su edificio (opción prescriptiva) o bien diseñar sin restricciones pero demostrando que su edificio cumple con las exigencias de limitación de la demanda (opción prestacional). LIDER es la herramienta informática oficial o de referencia que va a permitir demostrar el cumplimiento por la vía prestacional. Por otro lado, el objetivo principal del REAL DECRETO 47/2007, de 19 de enero, por el que se aprueba el Procedimiento Básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción (2) consiste en establecer el procedimiento básico que debe cumplir la metodología de cálculo de la calificación de eficiencia energética. CALENER es la herramienta informática oficial para cumplimentar la certificación energética de edificios y, en principio, se utilizará en todos los casos para los que se haya utilizado previamente LIDER. Son dos procedimientos complementarios, es decir, para poder calificar energéticamente un edificio, debe primero cumplir el Código Técnico de la Edificación. Hasta el momento existía una única manera de obtener la certificación energética de un edificio sin utilizar programas de simulación (CALENER). 82

2 Consiste en la utilización de la denominada Opción Simplificada para la Calificación de Eficiencia Energética de Edificios de Viviendas (4) que es un documento reconocido. El documento presenta para cada zona climática una serie de soluciones técnicas y en síntesis su filosofía viene a decir que los edificios de viviendas que se limitan a cumplir los requisitos del Código Técnico y no demuestran ningún otro aspecto relativo a sus prestaciones energéticas tienen por defecto la clase E con la excepción de aquellos que están incluidos en alguna de las soluciones técnicas a los que se les asigna que la clase D. El procedimiento, cuyas líneas generales se presentan en este artículo, propone una tercera vía que se sitúa entre las dos anteriores, y que es aplicable a edificios de viviendas que superan los requisitos del Código Técnico y que consecuentemente quieren optar a una mejor calificación. Los procedimientos simplificados de certificación energética permiten la asignación de una clase de eficiencia energética a partir del cumplimiento por parte de los edificios afectados de unos requisitos relativos tanto a la envolvente del edificio como a los sistemas térmicos de calefacción, refrigeración, agua caliente sanitaria e iluminación; además, el uso de un procedimiento simplificado reconocido exime de la utilización de los procedimientos de cálculo de la certificación. 2. Del Código Técnico de la Edificación a la Certificación Energética de Edificios Según el Artículo 15, de Exigencias básicas de ahorro de energía (HE), el objetivo del requisito básico Ahorro de energía consiste en conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable, como consecuencia de las características de su proyecto, construcción, uso y mantenimiento. El Documento Básico DB HE Ahorro de energía especifica parámetros objetivos y procedimientos cuyo cumplimiento asegura la satisfacción de las exigencias básicas y la superación de los niveles mínimos de calidad propios del requisito básico de ahorro de energía. radiación solar, reduciendo el riesgo de aparición de humedades de condensación superficiales e intersticiales que puedan perjudicar sus características y tratando adecuadamente los puentes térmicos para limitar las pérdidas o ganancias de calor y evitar problemas higrotérmicos en los mismos. (1) Pero, que consideramos edificios con necesidad de cumplimiento de esta sección? Como se conoce, esta Sección es de aplicación en edificios de nueva construcción, y modificaciones, reformas o rehabilitaciones de edificios existentes con una superficie útil superior a 1000m2 donde se renueve más del 25% del total de sus cerramientos, excluyéndose del campo de aplicación los siguientes casos: a) aquellas edificaciones que por sus características de utilización deban permanecer abiertas; b) edificios y monumentos protegidos oficialmente por ser parte de un entorno declarado o en razón de su particular valor arquitectónico o histórico, cuando el cumplimiento de tales exigencias pudiese alterar de manera inaceptable su carácter o aspecto; c) edificios utilizados como lugares de culto y para actividades religiosas; d) construcciones provisionales con un plazo previsto de utilización igual o inferior a dos años; e) instalaciones industriales, talleres y edificios agrícolas no residenciales; f) edificios aislados con superficie útil total inferior a 50m2. Por tanto, entre el conjunto de edificios que nos traen a colación en este documento, son de aplicación para todos los edificios residenciales, e incluso rehabilitaciones dentro del grupo de características anterior. Ejemplos de cumplimentación de Limitación de Demanda de Energía de Edificio de vivienda unifamiliar en Cáceres (a) Edificios de viviendas en Don Benito -Badajoz- (b), Viviendas unifamiliar en Asturias (c), evaluados por el Estudio de Arquitectura_Consultoría Samler, mediante Procedimiento Prestacional, programa informático LIDER. Para satisfacer este objetivo, los edificios se deben proyectar, construir, utilizar y mantener de forma que se cumplan las exigencias básicas que se establecen en los apartados siguientes del CTE_HE1: Los edificios dispondrán de una envolvente de características tales que limite adecuadamente la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función del clima de la localidad, del uso del edificio y del régimen de verano y de invierno, así como por sus características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la a La demanda energética de los edificios se limita en función del clima de la localidad en la que se ubican, según la zonificación climática establecida en el apartado 3.1.1, y de la carga interna en sus espacios según el apartado b c 83

3 La demanda energética será inferior a la correspondiente a un edificio en el que los parámetros característicos de los cerramientos y particiones interiores que componen su envolvente térmica, sean los valores límites establecidos en las tablas 2.2 (ver ejemplo siguiente para Madrid, Zona Climática D3). No se limita al cumplimiento estricto de los requisitos del CTE-HE sino que permite mejoras sustanciales, fundamentalmente de las calidades constructivas de la envolvente y de las prestaciones de los equipos y sistemas de producción de calor y frío. Como consecuencia directa de lo anterior, no existen límites en cuanto a la clase de eficiencia energética que se puede obtener, aunque está especialmente diseñado para la obtención de clases D, C y B. Permite el tratamiento de edificios en cuyo proyecto no se especifica el equipamiento de calefacción y/o refrigeración, sin que esto signifique la asignación por defecto de la clase de eficiencia E. 1.- Imágenes de cumplimentación de Limitación de la Demanda de Energía (HE1) mediante Opción General (PROGRAMA LIDER). Para cada espacio se determinará la media de los parámetros característicos de transmitancia térmica (U) en W/m2K. Estos valores deben ser iguales o inferiores a los marcados como límites, variables según la Zona Climática en que se encuentra el edificio, marcado en las tablas 2.2 anteriormente referenciadas, para que el edificio cumpla con las condiciones de este DB-CTE_HE1. 3. Procedimiento de optimización energética de edificios para obtención de alta calificación energética (Clases A o B) El objetivo principal del REAL DECRETO 47/2007, de 19 de enero, por el que se aprueba el Procedimiento básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción (2), consiste en establecer el procedimiento básico que debe cumplir la metodología de cálculo de la calificación de eficiencia energética, con el que se inicia el proceso de certificación, considerando aquellos factores que más incidencia tienen en el consumo de energía de los edificios de nueva construcción o que se modifiquen, reformen o rehabiliten en una extensión determinada. También se establecen en el mismo las condiciones técnicas y administrativas para las certificaciones de eficiencia energética de los proyectos y de los edificios terminados. Desde principios de 2010 existe un nuevo procedimiento viable para la certificación energética de edificios, el nuevo Procedimiento Simplificado (4). El procedimiento propuesto es directamente aplicable a partir de exactamente las variables y parámetros que se solicitan para justificar los requisitos de los diversos apartados del CTE-HE (requisitos mínimos de la certificación) y del CTE-HS. Para mejorar la clase de eficiencia el usuario tiene absoluta libertad para poner el énfasis en el diseño del edificio, en la calidad constructiva de los elementos de la envolvente, o bien en el tipo de sistema térmico y calidad de los equipos que componen dicho sistema, o incluso, en una combinación de los anteriores. Si el énfasis se pone en tal medida sobre la envuelta, es posible que no sea necesario la inclusión de sistemas de climatización, este caso es muy particular y son edificios conocidos como bioclimáticos, pudiendo llegar a ser en algún caso viviendas pasivas (passive houses) con consumo de energía nulo. Es un procedimiento basado en el uso de los Indicadores de Eficiencia Energética, de algebra sencilla y fácil comprensión, se desarrolla a continuación el concepto de estos elementos y su sencillez algebraica. En primer lugar se definen los Indicadores de comportamiento, que expresan demandas energéticas, consumos energéticos y/o emisiones de CO2 por m2 de superficie útil de un determinado edificio (el edificio objeto) en una determinada localidad bajo unas condiciones estándar, tanto climáticas como de operación. Un indicador de comportamiento es por ejemplo la demanda energética de calefacción de una determinada vivienda unifamiliar situada en Madrid. Por su parte, el Indicador de Eficiencia Energética (IEE) se define como el ratio entre un indicador de comportamiento energético correspondiente al edificio objeto y un valor de referencia consistente. Para cada uso o servicio energético del edificio incluido en el proceso de certificación energética (calefacción, refrigeración y ACS en el caso de viviendas) se definen tres indicadores, el correspondiente a la demanda, el correspondiente al sistema y el correspondiente al uso propiamente dicho. Demanda de calefaccion del edificio objeto Rendimiento del sistema de calefacción del edificio objeto IEE C = IEEDC IEE Demanda de calefación de referencia Rendimiento del sistema de calefacción de referencia = SC 84

4 Puesto que el consumo puede expresarse como la demanda dividida entre el rendimiento medio estacional del sistema existe una relación entre los tres indicadores anteriores: Cuanto más pequeño es un indicador más eficiente es la opción elegida. Un indicador menor que 1 indica además que la opción elegida para el edificio objeto es mejor que la de referencia. Para el conjunto de los usos de una vivienda se obtiene el indicador global de la misma a partir de los indicadores de cada uno de los usos ponderados por los coeficientes de reparto asociados a dichos usos. [ IEE = IEE ϕ + IEE ϕ + IEE ϕ ] G C C Los coeficientes de reparto indican cómo se reparten las emisiones globales de CO2 de referencia entre los diferentes usos. Están expresados en tanto por uno, dependen fuertemente de la zona climática y su suma es la unidad. En el caso de edificios de viviendas los valores de referencia son los valores medios de la población resultante de suponer que los edificios se construyen siguiendo estrictamente los requisitos y limitaciones que establece el Código Técnico en su sección CTE-HE. Los documentos reconocidos marcan los valores medios de demandas y emisiones para cada localidad y tipología edificatoria (viviendas unifamiliares o bloques). El indicador de eficiencia energética de demanda de calefacción de cualquier edificio de viviendas unifamiliares situado en Madrid se obtiene dividiendo su demanda de calefacción específica entre el valor de referencia medio, que en este caso es 66.7kWh/m2. R R ACS ACS Los indicadores de eficiencia energética son las variables a partir de las cuales se obtiene, entre otras cosas, la clasificación energética de un edificio. Esta clasificación se incluye en la etiqueta de eficiencia energética que aparece en el anexo II del Real Decreto de certificación energética de edificios de nueva construcción. Clase A si IEEG < 0.37 Clase B si 0.37 < IEEG < 0.60 Clase C si 0.60 < IEEG < 0.93 Clase D si 0.93 < IEEG < 1.43 Clase E si 1.43 < IEEG 3.- Escala de calificación energética de edificios de viviendas (Zona Climática D3) Puede comprobarse de la tabla de asignación de clases, de edificios destinados a viviendas, cómo la referencia (IEEG =1) se encuentra en la clase de eficiencia D y cómo, por ejemplo, para obtener la clase de eficiencia A el edificio objeto debe tener unas emisiones de CO2 un 63% (100-37) inferiores a las de referencia. En síntesis, el procedimiento para certificación de edificios mediante procedimiento simplificado, trata en primer lugar de valorar de manera progresiva las demandas de los diferentes usos (calefacción, refrigeración y producción de agua caliente sanitaria) y los rendimientos de los equipos utilizados para satisfacer dichas demandas. Posteriormente, utilizando el álgebra de los Indicadores de Eficiencia Energética se valoran los diferentes usos y finalmente la combinación de los mismos. La Clase de Eficiencia Energética obtenida por el edificio se expresa en función del Indicador de Eficiencia Energética Global (IEEG). El procedimiento que se sigue para obtener éste se representa mediante el siguiente esquema: Con análogo razonamiento se han obtenido los valores de referencia para los consumos y las emisiones de CO2 en las diferentes localidades que se han incluido en (3). Agrupando las localidades por zonas climáticas se pueden obtener valores de referencia para cada una de ellas. La figura 3 muestra los valores de referencia globales de emisiones de CO2 para las viviendas unifamiliares en las distintas zonas climáticas desglosados en los tres usos. 40 Emisiones [kg CO2/m 2 ] A3 A4 B3 B4 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 E1 Zona Climática 2.- Valor global y valores por usos de las emisiones de CO2 de referencia. 4.- Esquema de calificación energética de edificios (Método Simplificado Ce2) El proceso a seguir consiste en seleccionar y cumplimentar las fichas que se correspondan con el tipo de edificio que estemos tratando y el clima concreto en el que se ubica dicho edificio. Basándonos en procedimiento simplificado de certificación energética de edificios Ce2, se tienen tres puntos fundamentales de trabajo: 85

5 - La mejora de la envuelta térmica IEE demanda calefacción. - La mejora del control solar IEE demanda refrigeración. - La mejora de los sistemas de climatización y producción de ACS IEE sistemas. Por tanto, esos serán nuestros tres escenarios de optimización, analizando los límites viables de mejora de cada uno de los factores que componen estos aspectos y su repercusión individual en la energética edificatoria. Por tanto, si quedan fijados los IEE de demanda por las soluciones constructivas elegidas, y los coeficientes de reparto, por las emisiones del edificio de referencia, ya se puede saber cómo deben ser los sistemas para alcanzar la calificación deseada, obteniendo las variables que satisfacen la ecuación. Obtención del indicador global Desde el punto de vista práctico, existe un conjunto de fichas (una para cada zona climática y para cada tipología edificatoria) que condensan la secuencia de operaciones necesaria para obtener el Indicador global a partir de los indicadores parciales. 7.- Tabla de IEE Global Así quedan determinadas las características que deben poseer los sistemas para obtener una alta calificación energética (Clases Energéticas A o B), como vemos en la siguiente tabla de combinaciones: 5.- Fragmento de la ficha de obtención del IEEG para viviendas en bloque situadas en la zona climática B4 Como se puede apreciar en la figura 6 el procedimiento completo consiste en completar la tabla final de IEEglobal que proporciona, respectivamente los IEE de demanda de calefacción de demanda de refrigeración y de sistemas, y trasladar posteriormente los resultados obtenidos a una cuarta ficha donde se realizan los cálculos finales. Si se analiza bien el procedimiento, fijando los coeficientes de reparto sabemos sobre que sección es más rentable la actuación de refuerzo en el comportamiento energético de acondicionamiento, diseño energético o climatización. Se debe analizar la viabilidad de soluciones factibles en fase de prediseño del proyecto, la fase fundamental para poder tomar decisiones que hagan conocer el comportamiento energético de los edificios. Este procedimiento capacita a los técnicos para tomar medidas útiles que modifiquen los comportamientos y esquemas de consumo desde el origen. Elementos Constructivos de la zona exterior Valor edificio objeto Valor edificio de referencia Valor límite (ZONA D) Cerramientos exteriores 0.43 W/(m 2 K) 0.66 W/(m 2 K) 0.86 W/(m 2 K) Cubierta inclinada 0.45 W/(m 2 K) 0.38 W/(m 2 K) 0.49W/(m 2 K) Ventanas (U) 1.50 W/(m 2 K) 3.00 W/(m 2 K) 3.50 W/(m 2 K) Ventanas Factor sombra (invierno_verano) 1.00 _ _ Ventanas factor solar modificado (Fsm) 0.58_ Tabla que contienen la secuencia a seguir para aplicar el procedimiento de optimización de envuelta térmica de edificios terciarios Calificación Envuelta Sistemas IEE global global Solución CTE 06 Proyecto Agua - Splits reforzado Aire 1 X X 0.94 D 2 X X 0.73 C 3 X X 0.41 B 4 X X 0.32 A 8.-Figura 8.- Tabla combinatorias posibles de soluciones de envueltas y sistemas de climatización En este tipo de tablas podemos desarrollar y analizar propuestas a la carta, comprobando de forma previa y casi instantánea el comportamiento de una medida de diseño o un sistema concreto sobre el resultado final de la calificación energética final obtenida. En este caso se han comprobado solo dos tipos de sistemas de climatización sobre los escenarios para la envuelta térmica que cumple estrictamente el código técnico de la edificación, y un segundo nivel, visto anteriormente, al que se ha definido como proyecto reforzado. Analizando las características de los diferentes tipos de sistemas de climatización existentes en el mercado actualmente, se determinará si es viable o no, como por ejemplo en este caso, donde es posible obtener una Alta Calificación energética (Clase B) mediante un sistema de calefacción basado en sistemas individuales, tipo split, de altas prestaciones, y sin sistemas de refrigeración, o bien obtener una Calificación A mediante un sistema aire-agua de prestaciones medias, como vemos en la tabla final siguiente: 86

6 Por tanto, para obtener una envuelta para que este edificio no necesite sistemas de climatización, el índice de eficiencia energética de demanda de calefacción debe ser y el índice de eficiencia energética de demanda de refrigeración Es necesario buscar ahora si hay soluciones factibles de envuelta para lograr estos objetivos. Como la demanda de referencia de calefacción es 54.1kW/hm2 en este caso, significa que la demanda de calefacción de este edificio debe ser 72% mejor que la de referencia para alcanzar los límites anteriormente marcados. 9.- Tabla de IEE Global De igual manera, si se comienza de forma inversa este procedimiento, se podrían preevaluar posibles soluciones de viviendas pasivas de consumo de energía casi nulo, donde no son necesarios los sistemas de climatización, tan solo la producción de agua caliente sanitaria. Si se establece que los índices de eficiencia energética de sistemas de calefacción y refrigeración son los determinados por la normativa para los equipos de sustitución (espacios sin sistemas de climatización) podremos obtener cuales deben ser los índices de eficiencia energética de demanda de calefacción y refrigeración del edificio para obtener un edificio de Alta Calificación Energética. Los índices de eficiencia energética de sistemas de calefacción y refrigeración para los equipos de sustitución son 1,20 para Calefacción y 1,07 para Refrigeración. Los valores de demandas de calefacción y refrigeración necesarios para obtener una vivienda de consumo casi nulo, en España, estos valores de demandas deben ser inferiores a 15 kw/hm2 tanto para la demanda de calefacción como para la demanda de refrigeración según el estándar passive house europeo. Se demuestra que con este procediendo de aplicación se simplifica en gran medida los procesos de preevaluacion de las demandas de los edificios así como establece un punto de apoyo al diseño proyectual enfocado a la eficiencia energética edificatoria. En pocos minutos se pueden establecer las bases de comportamiento térmico de un edificio, así como una estimación de establecer la directriz de actuación ante los requerimientos mínimos que marcan los coeficientes de reparto para lograr una alta calificación energética en el proyecto. Es un procedimiento sencillo e intuitivo con el que se dota al arquitecto de grandes herramientas de apoyo al diseño de altas prestaciones energéticas. 9.- Tabla de IEE Global La ecuación a resolver queda de la forma siguiente: (0.42*1.20)X + (0.42*1.07)Y = 0.33 Es un sistema de una ecuación con dos incógnitas por lo que necesitamos una condición más de partida. Como vemos, los coeficientes de reparto son iguales para calefacción y refrigeración por lo que tienen el mismo peso especifico en la energética de este edificio. Podemos entonces suponer que se pone el mismo esfuerzo en las medidas de envuelta de calefacción y refrigeración, que parametrizado significa que X e Y son en este caso iguales. (0.42*1.20)X + (0.42*1.07)Y = 0.33 X=Y=0.283 Referencias y Bibliografia 1.- Código Técnico de la Edificación / Ahorro de Energía. 2.- Real Decreto 47/2007 por el que se aprueba el Procedimiento para la Calificación de Eficiencia Energética de Edificios. 3.- Escala de calificación energética de edificios de nueva construcción. 4.- Opción Simplificada para la Calificación de Eficiencia Energética de Edificios de Viviendas. 5.- Documento de condiciones de aceptación de opciones simplificadas. 87