Eficiencia energética en edificios desde la perspectiva de ciclo de vida. Casos de estudio

Efi c p ersp e Escuela De p T c iencia e ctiva d Jos é Técnica p artament o T ESIS energé d e cicl o Rafael A é Manuel C Mála g Superio r o de Arte y DOC T tica en o de vi d A ssiego d e C ejudo L ó g a, Mayo d e r de Arq u y Arquite c T ORA L edific i d a. Cas e Larriva ó pez (Dir e e 2015 u itectur a c tura L i os des d os de e e ctor) a d e la e studio AUTOR: Rafael Assiego De Larriva http://orcid.org/0000-0003-0507-4247 EDITA: Publicaciones y Divulgación Científica. Universidad de Málaga Esta obra está sujeta a una licencia Creative Commons: Reconocimiento - No comercial - SinObraDerivada (cc-by-nc-nd): Http://creativecommons.org/licences/by-nc-nd/3.0/es Cualquier parte de esta obra se puede reproducir sin autorización pero con el reconocimiento y atribución de los autores. No se puede hacer uso comercial de la obra y no se puede alterar, transformar o hacer obras derivadas. Esta Tesis Doctoral está depositada en el Repositorio Institucional de la Universidad de Málaga (RIUMA): riuma.uma.es i A Elena ii iii Quiero expresar mi agradecimiento a los miembros de: - la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de la Universidad de Málaga, - la Cátedra Unesco de Ciclo de Vida y Cambio Climático, de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona, - el Departamento de I+D+i de la empresa CIATESA, - el Grupo de Investigación en Energía de la Universidad de Málaga; y en especial, a mi familia. iv v vi vii Índice PRIMERA PARTE: INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS DE CICLO DE VIDA  Capítulo 1. Introducción ................................................................................................. 3 1.1. Problema objeto de esta Tesis ............................................................................... 4 1.2. Solución propuesta ................................................................................................ 6 1.3. Revisión de trabajos ............................................................................................... 7 1.4. Objetivos ................................................................................................................ 8 1.5. Contenido ............................................................................................................... 8 1.5.1. Conceptos de ciclo de vida ............................................................................ 8 1.5.2. Avances en la evaluación de ciclo de vida en edificios ................................. 9 1.5.3. Casos de estudio ............................................................................................ 9 Referencias del capítulo 1 ........................................................................................... 11 Capítulo 2. Conceptos de ciclo de vida en edificios ................................................... 13 2.1. Introducción ........................................................................................................ 14 2.2. El consumo de energía primaria ......................................................................... 15 2.2.1. El análisis de ciclo de vida (ACV) .............................................................. 15 2.2.1.1. Las cuatro fases de un ACV ................................................................ 17 2.2.1.2. La unidad funcional ............................................................................. 18 2.2.1.3. Los límites del sistema ........................................................................ 19 2.2.1.4. La calidad de los datos e hipótesis ...................................................... 22 2.2.2. El análisis de la energía en el ciclo de vida (AECV) .................................. 24 2.2.2.1. La energía incorporada ........................................................................ 24 2.2.2.2. La energía de utilización ..................................................................... 25 2.2.2.3. La energía final y la energía primaria ................................................. 25 2.3. El análisis de inventario en el ciclo de vida ........................................................ 26 2.3.1. El “background” ......................................................................................... 27 2.3.1.1. Las declaraciones ambientales de producto (DAP) ............................. 28 2.3.1.2. Las bases de datos ............................................................................... 29 2.3.2. El “foreground” ........................................................................................... 31 2.4. La evaluación de las categorías de impacto ........................................................ 31 2.4.1. Metodologías de impacto de efecto intermedio .......................................... 31 2.4.2. Metodologías de efecto final ....................................................................... 32 2.5. La interpretación de resultados ........................................................................... 34 2.6. Conclusiones ....................................................................................................... 34 Referencias del capítulo 2 .......................................................................................... 36 xiv 1 PRIMERA PARTE Introducción y conceptos de ciclo de vida 2 3 Capítulo 1 Introducción Resumen Se realiza en este primer capítulo una descripción de las motivaciones que han dado lugar a la Tesis, así como se plantean las soluciones a las principales carencias detectadas en la literatura revisada en materia de ciclo de vida y edificios. Por un lado, la actual normativa en materia de energía en edificios únicamente considera el consumo de energía en la etapa de uso. No se cuantifica la energía incorporada asociada a los materiales. Además, no existe unanimidad a la hora de definir los parámetros de referencia que permitan la integración de los conceptos que definen la eficiencia energética en las distintas fases de un estudio de ciclo de vida. Por otra parte, los estudios de ciclo de vida presentes en literatura no contemplan el diseño de las instalaciones del edificio en continuidad con la idea del proyecto. En esta Tesis se evalúan tres casos de estudio basados en el binomio sistemaedificio, comparando distintas estrategias de diseño bajo unos avances en la técnica del análisis de ciclo de vida (ACV). 4 1.1. Problema objeto de esta Tesis La Directiva 2010/31/EU [1] establece que a partir del 31 de diciembre de 2018 todos los edificios nuevos que vayan a ser ocupados y sean de titularidad pública serán edificios de consumo de energía casi nulo. Para el resto de edificios la fecha se amplía hasta el 31 de Diciembre de 2020. Los nuevos materiales que se incorporan en la envolvente y las instalaciones, necesarios para alcanzar un consumo casi cero, llevan asociados un consumo de energía primaria debido a todos los procesos de elaboración desde la extracción de materias primas hasta su puesta en obra. Sin embargo, esta energía incorporada no se contabiliza en la actual certificación energética ni en la definición de edificios de energía casi cero. En este sentido, Prakash y otros [2] analizaron en el ciclo de vida setenta y tres edificios, de uso residencial y oficinas de diferentes países. En dicho estudio se consideraron edificios con sistemas constructivos convencionales, edificios de bajo consumo y edificios de consumo casi cero. La Fig. 1.1 muestra la relación entre la energía incorporada y la energía en el ciclo de vida para los tres tipos de edificios considerados. En un edificio convencional la energía incorporada supone un 8% respecto al total en el ciclo de vida, en edificios de bajo consumo esta proporción oscila entre un 12% y un 40% en función del lugar (condicionantes climáticos), mientras que en los edificios de consumo casi cero supone casi el 100%. En definitiva, al disminuir el consumo en la etapa de uso, se aumenta la energía incorporada; se soluciona un problema, pero se crea otro (ver Fig. 1.2). Por otra parte, en los estudios de ciclo de vida se observa que, al ampliar el estudio desde la etapa de uso al resto de etapas, los conceptos y parámetros utilizados para evaluar la eficiencia energética no se adaptan correctamente a la terminología propia del anál i con v la e n Fina l dife r opci o b ino m i sis de cicl o v ersión, la c u n volvente o Fig. 1 l mente, en l r entes solu c o nes consi d m io sistem a o de vida ( A u antificaci ó de las insta 1 .1. Relación e Fig. 1.2 l a literatura c iones de e n d eradas, pa r a -edificio. A CV). Por e ó n anual de l aciones. e ntre la energ í . La paradoja , se encuen t n volvente e n r a aumenta r e jemplo, la los consu m ía incorporad a de los edifici o t ran distint o n un edific i r la eficie n temperatur a m os. Lo mis m a y el total en o s autosuficie o s análisis d i o o instal a n cia en el c a de confor t m o ocurre c el ciclo de vi d n tes [3]. d e ciclo de v ciones. En c iclo de vi d r t, los facto r c on elemen t d a [2]. v ida que e v ningún ca s d a, conside r 5 r es de t os de v alúan o, las r an el 6 1.2. Solución propuesta En el proceso de diseño de un edificio son múltiples los condicionantes y requisitos que se deben afrontar. En esta Tesis se propone incorporar la evaluación de la energía en el ciclo de vida como un requisito más a dicho proceso, avanzando sobre el concepto actual de eficiencia energética. De un lado, se describe un proceso para la toma de decisiones, en base al consumo de energía primaria en el ciclo de vida, entre diferentes opciones de diseño que satisfacen la misma función en el edificio. En concreto: - Se define la unidad funcional en base a la cuantificación de la función evaluada, incorporando el alcance como la vida útil del edificio que satisface dicha función. Junto a la unidad funcional se describe el público a quien se dirige el estudio para referenciar los resultados a las unidades propias del sector, por ejemplo, para el sector de la construcción en m2. - Se evalúa el ciclo de vida mirando con especial atención las etapas desde la puerta de la fábrica hasta el transporte a planta de reciclaje. Se da continuidad a las investigaciones en materia de declaraciones ambientales de producto y se aportan nuevos datos. La información ambiental queda referenciada por año de vida útil del edificio. - Se cuantifican los consumos en la etapa de uso en base a simulaciones horarias de los distintos sistemas propuestos y se analiza el consumo de energía primaria en función de un posible aumento futuro de renovables en el mix eléctrico. Esta posibilidad se aborda desde una aproximación atribucional y consucuencial al ciclo de vida. 7 Por otra parte, las opciones de diseño evaluadas en los casos de estudio se justifican en base a los condicionantes del lugar (usuarios, clima, radiación) y del edificio (características geométricas y constructivas). Estas soluciones se comparan en el ciclo de vida con otras derivadas del cumplimiento de la norma o comúnmente utilizadas. Además, se describe la viabilidad técnica de las soluciones diseñadas, es decir, que sean ejecutables. Cada una de ellas se define en el contexto de trabajo de diferentes proyectos de investigación. En resumen, cuando el diseño de los sistemas del edificio (envolvente e instalaciones) se realiza conforme a la idea del proyecto, el edificio además de ser eficiente lo será también en su ciclo de vida. 1.3. Revisión de trabajos En este apartado se recogen algunos trabajos que han evaluado el consumo de energía en el ciclo de vida de edificios. Para su revisión, se establecen tres niveles: - A nivel de envolvente: Se trata de estudios que consideran la descripción constructiva del edificio pero que no describen las instalaciones. Se definen de una forma genérica para alcanzar unas determinadas condiciones interiores. Se destacan, entre otros, los estudios realizados por Adalberth [4], Freire y otros [5], Wong y otros [6]. - A nivel de instalaciones. Son estudios de ciclo de vida que evalúan el consumo de energía en el ciclo de vida de distintas instalaciones cuya función es responder a una demanda térmica del edificio. En estos trabajos no se profundiza en la definición constructiva de la envolvente. Se pueden destacar los trabajos realizados por Zmeureanu y otros [7], Heikkila [8] y Beccali y otros [9]. 8 - A nivel de elemento constructivo. Se recogen en este tercer nivel estudios de ciclo de vida que evalúan elementos que configuran un sistema del edificio, bien sea en la envolvente, por ejemplo, el aislamiento [10], o en las instalaciones, por ejemplo, un captador solar en un sistema de agua caliente sanitaria [11] [12]. 1.4. Objetivos De lo más general a lo más particular, los objetivos de esta Tesis son: - El diseño de edificios eficientes en la etapa de uso y en todo el ciclo de vida, donde el aumento en energía incorporada para reducir el consumo no suponga un aumento en el consumo de energía en el ciclo de vida del mismo. - La aproximación de la técnica del ACV al edificio, entendiéndolo como una suma de funciones, donde el diseño del edificio y de los sistemas se complementa. De esta manera se incorporan los conceptos de eficiencia energética al estudio de ciclo de vida. - La transparencia en la elaboración y adaptación de los datos de energía incorporada y emisiones de efecto invernadero al lugar de diseño del edificio, así como en los modelos para definir el consumo en la etapa de uso. 1.5. Contenido La memoria se ha organizado en ocho capítulos y tres anexos. Los ocho capítulos se han diferenciado en tres bloques: 1. Conceptos de ciclo de vida en edificios: capítulo 2. 2. Avances en la evaluación de ciclo de vida en edificios: capítulos 3 y 4. 3. Casos de estudio: capítulos 5, 6 y 7. 9 1.5.1. Conceptos de ciclo de vida en edificios En el capítulo 2 se explican los conceptos necesarios para llevar a cabo un estudio de la energía en el ciclo de vida de edificios y de sus emisiones asociadas. Se definen los parámetros recogidos en la técnica de ACV que posibilitan la toma de decisiones evaluando las categorías de impacto denominadas consumo de energía primaria (GER) y potencial de calentamiento global (GWP). Se destaca que la revisión de los conceptos, bases de datos y programas de ciclo de vida fueron contrastados en una estancia de formación e investigación que realizó el autor en la Cátedra Unesco de Ciclo de Vida y Cambio Climático [13], adscrita a la Universidad Pompeu Fabra, Barcelona. 1.5.2. Avances en la evaluación de ciclo de vida en edificios En el capítulo 3 de la Tesis se define la unidad funcional en base a la función evaluada y a los sistemas del edificio. Además, se destaca la importancia de su correcta definición en relación a las distintas fases de un estudio de ciclo de vida. Finalmente se exponen unos ejemplos que clarifican su definición. Por otra parte, en el Capítulo 4 se exponen los avances propuestos para llevar a cabo la evaluación de impacto ambiental en estudios de ACV en edificios. En esta investigación se propone el trabajo con información ambiental, es decir, con la cuantificación de los impactos por categoría en la puerta de fábrica. Además, distintos ejemplos explican los avances propuestos. En ambos capítulos, los avances propuestos son el resultado de un análisis y discusión de casos de estudio presentes en la literatura. 16 de trabajo”. Entre 1998 y 2000 se publicaron otras normas internacionales sobre ciclo de vida como la ISO 14041, 14042 y 14043. La primera versión fue completada añadiendo otros conceptos como la definición de los objetivos, el análisis de inventario, la evaluación de impacto en el ciclo de vida y la interpretación o conclusiones en el ciclo de vida. Finalmente, en 2006, se publicaron la ISO 14040 e ISO 14044, que incluían los conceptos anteriores y ampliaba el abanico de usuarios. La norma ISO 14040 [6] abarca los principios y el ámbito de estudio y la ISO 14044 [7] establece los requisitos y las directrices. Por otra parte, la configuración actual de la técnica de ACV ha estado en manos de una serie de organizaciones, que a nivel internacional han trabajado en su desarrollo metodológico y difusión, entre las que cabe destacar el papel de la Sociedad de Química y Toxicología Ambiental (SETAC), el Sistema internacional de datos de referencia de ciclo de vida (ILCD) dirigido por la Comisión Europea, el Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea y la Iniciativa de Ciclo de Vida promovida conjuntamente por el Programa de Naciones Unidas para el Medioambiente (UNEP) y la SETAC. De manera genérica, puede hablarse de dos posibles enfoques o aproximaciones al ciclo de vida: atribucional y consecuencial. La finalidad por la que se realiza el estudio será el parámetro que defina el tipo de aproximación [8]. Un ACV atribucional describe los flujos del sistema estudiado, mientras que un ACV consecuencial evalúa acciones fuera del ámbito del sistema estudiado pero que lo modifican [9]. Por ejemplo, en la evaluación del proceso de evaporación de una gota del océano interviene, entre otros parámetros, la temperatura 17 del aire. Si se considera la temperatura como un dato cuantificado en relación a estudios del año en que se realiza el estudio o anteriores se evalúa el proceso de evaporación desde una aproximación atribucional. Sin embargo, si se tiene en cuenta una condición de contorno externa al sistema evaluado, como el calentamiento global, se evalúa una causa, debida entre otros al aumento de la contaminación producida por el transporte, edificios, etc…; es decir, si se evalúa el efecto del calentamiento global en el proceso de evaporación del agua del océano se realiza una aproximación consecuencial al ciclo de vida. Diferentes autores han defendido una u otra aproximación cuando un estudio de ACV tiene como objetivo la toma de decisiones en la fase de diseño. Lundie y otros [10] argumentaron la realización de un estudio ACV consecuencial para la toma de decisiones, y atribucional cuando no hubiera que tomarlas. En la misma línea se encuentran los estudios realizados por Weidema y otros [11], ya que la aproximación consecuencial permite mejorar el diseño del producto. En el otro lado, Erkwall y otros [12] argumentaron que ambas aproximaciones pueden ser utilizadas para la toma de decisiones. En esta Tesis, se justifica una u otra aproximación en los distintos casos de estudio. 2.2.1.1. Las cuatro etapas de un ACV En la norma ISO 14040:2006 se definen cuatro fases que debe cumplir un estudio de ACV: la definición de los objetivos y el alcance del estudio, el análisis de inventario en el ciclo de vida, la evaluación de impacto en el ciclo de vida y la interpretación de resultados. 18 En la primera fase, en la definición de los objetivos y alcance del estudio se especifican, entre otros aspectos, las razones por las que se realiza el estudio, el público a quién se dirige, los límites del sistema, la unidad funcional y el sistema del producto. En la siguiente fase, el análisis de inventario, se recogen todas las entradas de masa y energía a lo largo de la vida útil del producto evaluado, así como las emisiones y los vertidos. De esta manera evaluaremos la etapa de producción y construcción, uso y mantenimiento, así como el fin de vida. En la evaluación de impacto se evalúan los impactos ambientales de las distintas categorías seleccionadas para cumplir los objetivos del estudio. Finalmente, los resultados se resumen en forma de conclusiones y recomendaciones para la toma de decisiones. 2.2.1.2. La unidad funcional En la primera etapa de un estudio de ACV se destacan dos parámetros que serán coherentes con los objetivos del estudio, estos son, la unidad funcional y los límites del sistema . La Norma ISO 14040 define unidad funcional como la “cuantificación de la función de un sistema del producto, servicio o actividad, que se utiliza como unidad de referencia en el estudio de ACV” (ISO 14040:2006). En esta misma norma el concepto de sistema del producto aparece definido como “conjunto de procesos unitarios conectados que realizan una o más funciones definidas en el ciclo de vida del producto”. Por ejemplo, el estudio en el ciclo de vida de un producto, entre otros, una bomba de calor, conlleva el estudio de las etapas desde la adquisición de materias primas hasta el fin de vida de la misma, incluyendo la energía necesaria para su elaboración, los materiales que la constituyen y el transporte en todas los etapas necesarias para su elaboración y traslado a vertedero o planta de reciclaje. Igualmente contempla las emisiones y los vertidos. 19 La definición de la unidad funcional es uno de los puntos clave en la primera fase de un estudio de ACV, condicionando completamente el éxito del estudio, especialmente cuando se trata de estudios comparativos. Una vez que se ha seleccionado la función, es preciso cuantificarla. Continuando con el ejemplo de una bomba de calor capaz de responder a una demanda máxima de refrigeración de 7 kW, ésta tiene una función, que es la satisfacción de una temperatura de confort en el interior de un local, respondiendo a una demanda, por ejemplo de 5 kW. Por tanto, la unidad funcional se establecerá en una bomba de calor de 7 kW, si el objetivo del estudio es el ACV de la bomba; o bien, si el objetivo es tomar la decisión entre varios sistemas que pueden satisfacer esa demanda, la unidad funcional se definirá como los equipos necesarios de refrigeración para dar respuesta a una demanda de 5kW. En estudios comparativos, la unidad funcional será el parámetro al cual se referencian todas las posibles soluciones de diseño del edificio para la toma de decisiones. 2.2.1.3. Los límites del sistema evaluado Los límites del sistema definen las etapas del ciclo de vida que conforman el sistema del producto analizado y, por lo tanto, que son objeto de estudio. Por tanto, en un edificio, cada límite informa de unas entradas en forma de masa y energía y unas salidas en forma de emisiones y residuos desde la extracción de materias primas, hasta un momento concreto de su ciclo de vida. A la definición del elemento junto a la cuantificación de la energía incorporada y de sus emisiones asociadas en un punto característico de su ciclo de vida se denomina proceso. A su vez, dicha cuantificación vendrá definida por su propia unidad funcional. Estos procesos se pueden encontrar referidos por unidad de producto, por kg, por metro lineal, por m2. 20 En general, en un estudio de ACV en edificios, los límites se denominan [13]: - de la cuna a la puerta de la fábrica, que contempla los procesos necesarios para la fabricación del elemento. Por ejemplo, una unidad de ventana preparada para ser suministrado a obra. - de la cuna al edificio, que contempla todos aquellos procesos hasta la puesta en servicio en el edificio. Por ejemplo, una unidad de ventana colocada y preparada para su uso. Se diferencia de la anterior en que incluye todos los flujos y los impactos asociados al transporte desde la puerta de la fábrica hasta el edificio, así como el consumo de energía y materiales para su colocación. - de la cuna a la planta de reciclaje, que contempla los flujos anteriores y posteriores a la vida útil del edificio, hasta la entrada a la planta de reciclaje. En la Fig. 2.1 un fotomontaje describe los límites característicos de un estudio de ACV. En el mismo, la etapa de construcción, uso y mantenimiento se muestra a través de la casa Patio 2.12, vivienda compuesta por cuatro módulos habitacionales. Una completa descripción de la casa se describe en el capítulo 5 de esta Tesis. Cada módulo habitacional se construyó en Sevilla. Cada módulo terminado y preparado para salir hacia su destino se identifica con el límite 1 (desde la cuna a la puerta de la fábrica). Si estudiamos los módulos desde Sevilla, incluyendo el transporte hasta su destino y el ensamblaje de la misma se realiza el estudio de ciclo de vida desde la puerta de la fábrica hasta el edificio (límite 2). Finalmente, si se miran todas las etapas en el ciclo de vida de la casa se evalúa el estudio desde la cuna a la tumba (límite 3). Todos los procesos en la planta de reciclaje formarán parte de otro sistema de ciclo de vida.               1. Fot o Games a recicla j Fig . 4. Fot. Rafael Assiego de Larriva 2. Ext r Pro d o grafía aérea de u a Eólica, Pampl o j e, Madrid [El cr o . 2.1. Fotomo n r acción de m d ucción Tran s Tran s u na mina a ciel o o na [Google Map o quis nº 106/107 , n taje. Límites m aterias p r Cons t s porte s porte abierto, Ohio, E s ]; 3. Construcci ó , p 276]. característic o r imas t rucción      E EUU [De lo m e ó n de vivienda P a o s de un estu d Uso y m e cánico a lo ter m a tio 2.12, Madri d d io de ACV e n m antenim i    m odinámico, Ed G d ; 4. Casa Patio 2 n edificios [El a i ento Planta de T G G, p 50]; 2. F á 2 .12, Madrid; 5. P a boración pr o 5 3. Fot. Pedro Ugarte recicla j e Transport e 21 á brica de P lanta de o pia]. 5 . 1. e Límite 3. De la cuna a la tumba Límite 1. De la cuna a la puerta de la fábrica Límite 2. De la cuna al edificio 22 Por o inco r 2.2 m con fi den o proc e segu n de l o 2.2. 1 Uno amb i mat e La d los d glob a ince r los d o tra parte, r porará al c m uestra lo s fi guran el e o mina agu a e sos de el a n das a las e o s mismos a Fig. 1 .4. La cali d de los may o i ental bas a e rias primas d escripción d atos utili z a l, etc.), la r tidumbre d d atos, el lu g cada elem e c iclo de vid s límites d e e dificio en a s arriba y a boración d e misiones y a planta de r 2.2. Límites d d ad de los d or es proble m ad as en el y emision e de los dat o z ados, la c o tecnológic d e la infor m g ar donde s e e nto constr u a del edifi c e l edificio cada etap a aguas ab a d el elemen t y residuos g r eciclaje, et c d el sistema d e d atos e hip m as que af e ACV ra d e s en el inv e o s en un e s o bertura g e a utilizada, m ación [15] . e fabrica u n u ctivo ten d c io en una e en relació n a , indicand o a jo. Las p r t o hasta s u g enerados, e c … e un edificio e ótesis e ctan a la a p d ica en l a e ntario del c s tudio de A e ográfic a ( l la fuente b . Es decir, s n material, d rá a su ve e tapa carac t n a los lí m o las entra d r imeras ha c puesta en e ntre otros, e n relación a s p licació n d e a fiabilida d c iclo de vi d A CV ha de l ocal, regi o b ibliográfi c s e informa r la tecnolog z sus prop i t erística de l m ites de lo s d as y salid a c en refere n obra en e por el em b u s elementos e las herra m d sobre lo d a. contempl a o nal, nacio n ca de los d a r á del perio d í a en su pr o i os límites, l mismo. L a s elemento s as en lo q u n cia a tod o e l edificio, b alaje, tran s [14]. m ientas de g e s datos d a r la antig ü nal, conti n a tos, así co m d o de vali d o ducción y y se a Fig. s que u e se o s los y las s porte e stión e las ü edad n ental, m o la d ez de en el 23 caso de que el dato sea el resultado de una media entre varios materiales similares, se indicará la fuente bibliográfica de cada uno de ellos, así como de la incertidumbre o desviación de los datos resultantes respecto a la información utilizada. La situación óptima a la hora de realizar un ACV sería disponer de un amplio conocimiento del sistema estudiado, del cual todos los datos de inventario fuesen accesibles, representativos y fiables. Desafortunadamente, en ocasiones los datos existen pero no están disponibles, existen pero no son adecuados o simplemente no existen. La incertidumbre de los datos puede tener su origen en [16]: -Imprecisión de los datos. La imprecisión de los datos puede deberse a errores, bien en los métodos de análisis, bien en las estimaciones o hipótesis. -Ausencia de datos, que, a su vez, abarca tanto la ausencia completa de datos como la ausencia de datos representativos del sistema bajo análisis. Una posible alternativa para la estimación de los datos necesarios en el ACV consiste en el empleo de la información de aquel sistema “más similar” (por ejemplo, en cuanto a las propiedades físico-químicas) del que se dispongan de datos. Otra opción sería reemplazar el elemento evaluado por los principales componentes del mismo. Continuando con el ejemplo de la bomba de calor, se dispone del dato de una bomba de calor capaz de satisfacer una demanda de 10 kW; sin embargo, el sistema evaluado requiere el dato de una bomba de calor de 7 kW, de la que no se dispone de datos. Si se conoce el peso de ambas máquinas, la norma UNE permite una asignación por peso para conocer los datos de la máquina de 7 kW. Finalmente, se destaca que un buen estudio de ACV adapta los datos a la realidad del lugar. No es tan importante ser exacto en los datos. Por ejemplo, si un elemento se 24 fabrica en España es más importante acercar los datos de consumo para su fabricación al mix eléctrico español que obtener un dato muy exacto media de diferentes mix eléctricos europeos, aun sabiendo de la incertidumbre arrastrada en la definición del mix. 2.2.2. El análisis de la energía en el ciclo de vida (AECV) El estudio y contabilización de todos las entradas de energía asociadas a un producto desde sus primeras fases hasta su fin de vida se denomina análisis de la energía en el ciclo de vida (AECV) [17]. 2.2.2.1. La energía incorporada La energía incorporada es la energía necesaria para la extracción de las materias primas, en su transporte y posterior tratamiento, incluyendo el procesado de las mismas hasta definir el elemento constructivo final. Además la energía incorporada tendrá en cuenta el transporte desde la fábrica hasta el edificio y la colocación del elemento en el mismo. A su vez, durante la vida útil, distintos elementos serán sustituidos debidos al mantenimiento, y al final de la vida útil, el edificio será demolido. La energía incorporada contabilizará las entradas de energía de la fase de producción, mantenimiento y fin de vida del edificio [18]. Por otra parte, el estudio de la energía incorporada cobra especial relevancia en el actual debate sobre la industrialización de la arquitectura debido al coste y a los plazos de ejecución del edificio. Diferentes estudios han considerado los impactos ambientales debidos a la ejecución del edificio en comparación con el total de impactos en el ciclo de vida. En concreto Cabeza y otros [19] estimaron que la energía incorporada en la ejecución y fin de vida del edificio representa un 1% del total, mientras que Coelho y 25 otros [20] la consideraron en un 5%; incluso hay autores que justifican que son etapas que pueden eliminarse del estudio [21] [22]. 2.2.2.2. La energía de utilización Durante la vida útil del edificio, el usuario del mismo demanda energía para mantener los espacios en unas condiciones de temperatura, humedad y luminosidad. Además se demanda energía para satisfacer el consumo de agua caliente sanitaria (ACS). La energía consumida por los sistemas de ventilación, refrigeración, calefacción, iluminación y ACS se denomina energía de utilización. 2.2.2.3. La energía final y la energía primaria En un estudio de ciclo de vida, la energía final es la energía consumida por el usuario, mientras que la energía primaria es la energía necesaria para producir 1 kWh final. Para poder cuantificar el consumo de energía en el ciclo de vida, Raniga y otros [17] destacaron que la energía de utilización debe expresarse en términos de energía primaria, es decir, expresar la energía consumida por el usuario final en términos de energía consumida para su producción. Por otra parte la cuantificación del consumo de la energía primaria necesaria para satisfacer las necesidades de consumo depende de las fuentes de producción de la energía eléctrica, por ejemplo, carbón, hidroeléctrica, etc. La contribución de cada una de ellas a la energía que se envía al usuario final se recoge en lo que se denomina el mix eléctrico. Del otro lado, la relación entre energía primaria y final se establece mediante los denominados factores de conversión. Estos factores de conversión se establecen para 32 responsables del efecto invernadero, se unifican bajo una categoría que informa del calentamiento global. Por tanto, un producto o servicio evaluado contribuirá al calentamiento global en una cantidad de emisiones de CO2eq., o lo que es lo mismo, las emisiones inventariadas se multiplican por un factor de caracterización para agruparse en una misma categoría de impacto. En la Tabla 2.1 se muestran los factores de caracterización utilizados por Pehnt [38]. En ella se observa cómo el consumo de energía primaria, en inglés “gross energy requirement (GER)”, cuantificado en el análisis de inventario es una magnitud final. Por otra parte, se observa la unificación de las tres emisiones que causan el efecto invernadero. Para ello se ha tomado como referencia las emisiones de CO2, es decir se le asigna el valor 1 mientras que el metano se multiplica por 21 y el óxido de nitrógeno por 310. Lo mismo ocurre con las emisiones que causan la acidificación del terreno y la eutrofización de las aguas. Tabla 2.1. Entradas y salidas al sistema estudiado, categorías de impacto y factores de caracterización. Entradas Salidas Categoría de impacto intermedio Unidad de referencia Factor de caracterización (kg material/ kg referencia) Energíarecursos Consumo de energía primaria MJ 1 CO2 Potencial de calentamiento global CO2equivalente 1 CH4 21 N2O 310 SO2 Acidificación potencial SO2equivalente 1 NOx 0,7 NH3 1,88 HCl 0,88 NOx Eutrofización potencial PO43-equivalente 0,13 NH3 0,33 2.4.2. Metodologías de efecto final Al igual que ocurre con las emisiones, las metodologías de efecto final permiten la agrupación de las categorías de impacto evaluadas mediante metodologías de efecto intermedio. Analizan el efecto último de un impacto ambiental. 33 Una de estas categorías evaluada mediante metodología de efecto final es, por ejemplo, el daño a la salud humana. La cuantificación permite una comunicación muy clara del indicador que se evalúa. Son variables que afectan de una forma directa a la sociedad. Sin embargo, la agrupación de distintas categorías en una única tiene un alto grado de incertidumbre [39], debido a la falta de transparencia en la relación entre ambas metodologías. Las metodologías de uso más extendido en el ámbito internacional son las metodologías Ecoindicador 99 y CML 2000, efecto final y efecto intermedio, respectivamente. Recientemente se ha desarrollado la metodología ReCIPe que integra y actualiza las metodologías Ecoindicador 99 y CML 2000, integrando y armonizando categorías de impacto intermedio y final [15]. En la Tabla 2.2 se muestra la relación entre las emisiones y las distintas categorías evaluadas primero mediante metodologías de efecto intermedio (“midpoints”) y posteriormente agrupadas en categorías que informan del daño directo sobre el medio ambiente (“endpoints”). Por ejemplo, la categoría potencial de calentamiento global y acidificación potencial se agrupa en la categoría daño a humanos; y las categorías acidificación y eutrofización potencial en la categoría daño a plantas y vida animal. Tabla 2.2. Entradas y salidas al sistema estudiado, categorías de impacto y factores de caracterización. Entradas Salidas Categoría de impacto intermedio Categoría de impacto final Energíarecursos Consumo de energía primaria CO2 Potencial de calentamiento global Daño a humanos CH4 N2O SO2 Acidificación potencial Daño a plantas y vida animal NOx NH3 HCl NOx Eutrofización potencial NH3 34 2.5. La interpretación de resultados La interpretación es la fase de un ACV en la que se combinan los resultados del análisis de inventario con la evaluación de impacto. Los resultados de esta interpretación pueden adquirir la forma de conclusiones y recomendaciones para la toma de decisiones, de forma consistente con el objetivo definido y el alcance del estudio, e informando acerca de los resultados de forma transparente. El análisis de los resultados permite identificar las variables más significativas y las etapas críticas desde el punto de vista de la generación de impacto ambiental, de las fases del ciclo de vida. Habiendo detectado los puntos donde se generan los mayores impactos, es posible definir estrategias de mejora dirigidas a la reducción del impacto ambiental del proceso. En el caso de que se trate de un ACV comparativo, se podrá identificar cuál de las alternativas comparadas presenta un mejor comportamiento ambiental. En resumen, la fase de interpretación debería proporcionar resultados que sean coherentes con el objetivo y el alcance definidos, que lleguen a conclusiones, expliquen las limitaciones y proporcionen recomendaciones (ISO 14040:2006). 2.6. Conclusiones En este capítulo se definen los conceptos necesarios para llevar a cabo un estudio de la energía en el ciclo de vida en edificios. Por otra parte, la metodología ACV permite la evaluación de los impactos ambientales de un producto. Esta metodología ha sido desarrollada por la organización internacional para la estandarización (ISO 14040, ISO 14044) y establece el guión de referencia para los estudios de ciclo de vida. Las principales conclusiones han sido: 35 - Un análisis de ciclo de vida puede realizarse desde una aproximación atribucional o consecuencial. En la primera de ellas se evalúa el sistema de estudio sin atender a elementos ajenos al mismo, y en la segunda sí que se consideran las variaciones en el sistema de estudio causadas por parámetros externos al mismo. - Un estudio de la energía en el ciclo de vida en edificios conlleva el estudio de la energía incorporada y de la energía de utilización. La energía incorporada es la energía necesaria en el proceso constructivo, derribo del edificio y transporte a planta de reciclaje. Se cuantifica en términos de consumo de energía primaria. La energía de utilización en la fase de uso del edificio ha de multiplicarse por el factor de conversión de energía final a primaria para sumar todas las entradas de energía en el ciclo de vida en términos de energía primaria. - La descripción de los materiales que conforman el edificio se realiza en la etapa de análisis de inventario. A la cuantificación de cada uno de los elementos se denomina flujos, mientras a las emisiones asociadas a ese elemento, en uno de los límites de su ciclo de vida, se le denomina proceso. - Los procesos ambientales que se asignan a los flujos definidos en el análisis de inventario, se definen primero en lo que se denomina el background para posteriormente, tras ser analizados y ajustados a los elementos inventariados (el foreground), cuantificar una determinada categoría de impacto. - Uno de los mayores cuellos de botella en la realización de un estudio de ciclo de vida es la obtención de los procesos ambientales acordes con los elementos inventariados. Estos pueden ser investigados en bases de datos, declaraciones ambientales de producto, artículos de investigación, etc. La principal diferencia radica en si estos datos informan 36 de los flujos y procesos que lo configuran o no. Los procesos abiertos se denominan desagregados, mientras los cerrados agregados. - En la etapa de evaluación de impacto, el consumo de energía primaria en el ciclo de vida se presenta junto a categorías “mid-point” o también denominadas de efecto intermedio. Otras categorías de efecto intermedio son, por ejemplo, el potencial de calentamiento global, la eutrofización, la acidificación potencial. Referencias del capítulo 2 [1] P. Fullana, R. Puig, Análisis del ciclo de vida, Ed. Rubes, Barcelona, 1997. [2] G. Clemente, N. Sanjuán, J. L. Vivancos, (Eds.), Análisis de Ciclo de Vida: Aspectos Metodológicos y Casos Prácticos. Universidad Politécnica de Valencia, España, 2005. [3] H. Baumann, A-M Tillman, The Hitch Hiker´s Guide to LCA. An orientation in life cycle assessment methodology and application, Lund: Studentlitteratur, 2004. [4] M-A Wolf, R. Pant, K. Chomkhamsri, S. Sala, D. 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Fthenakis, Life cycle analysis in the construction sector: Guiding the optimization of conventional Italian buildings, Energy and Building 64 (2013) 73-89. 41 SEGUNDA PARTE Avances en la evaluación de ciclo de vida en edificios 48 A su vez el sistema de acondicionamiento ambiental estará formado por la envolvente y una instalación de ventilación, de climatización y de iluminación; y el sistema de las instalaciones mecánicas comprenderá las instalaciones de suministro de agua, de agua caliente sanitaria y extinción de incendios. En la Tabla 3.1 se muestran las funciones principales con el sistema que la satisface. De esta manera, por ejemplo, el sistema de delimitación exterior o envolvente y la instalación de climatización garantizan el confort ambiental de los ocupantes del edificio. Tabla 3.1. Relación entre función y sistema constructivo Funciones que el edificio debe satisfacer Sistema del edificio Estética Sistema de delimitación exterior o envolvente Estabilidad Sistema terreno-cimiento Sistema estructural Estanqueidad Sistema de delimitación exterior o envolvente Confort ambiental Sistema de delimitación exterior o envolvente Sistema de acondicionamiento ambiental Instalación de ventilación Instalación de climatización Instalación de iluminación Confort acústico Sistema de delimitación exterior o envolvente Sistema estructural Sistema de delimitación interior, horizontal y vertical Suministro de agua y agua caliente sanitaría Sistema de redes de servicios: Instalación de abastecimiento de agua Instalación de agua caliente sanitaria Instalación de extinción de incendios La envolvente, por tanto, como sistema del edificio, tiene una relación directa con la función estética y estructural, con las funciones de proveer estanqueidad, confort ambiental, acústico; es decir, en un edificio existe un delicado equilibrio interno de mecanismos conectados que no funcionan aisladamente sino en un conjunto ricamente interconectado. 49 Todas estas relaciones deberán ser revisadas para cada edificio, ya que podrá existir un edificio cuya estructura se manifieste al exterior y al interior con lo que dicho sistema se incorporaría a la evaluación del confort ambiental. Por tanto, la función de proveer confort ambiental deberá ser analizada bajo el estudio de la envolvente y una instalación de ventilación y climatización para garantizar los rangos que dicten las distintas normativas de cada país. Como ocurre con la envolvente, algunos componentes de la instalación de abastecimiento de ACS podrán tener una doble función, satisfacer una demanda de ACS y el confort ambiental. Es el caso de los captadores solares térmicos en una instalación de agua caliente sanitaria y calefacción, por ejemplo, por suelo radiante. 3.3. La unidad funcional en estudios de ACV de confort: una revisión La revisión de la unidad funcional se establece en dos etapas, dependiendo de la función evaluada. En el primero de ellos se estudian elementos de un edificio que dan respuesta a una demanda de energía térmica, y en el segundo se evalúan elementos o sistemas del edificio cuya finalidad es satisfacer una temperatura interior. 3.3.1. La unidad funcional y la demanda térmica Se analiza en esta sección la unidad funcional de aquellos estudios de ACV de componentes que se diseñan junto alguna medida pasiva o no, para reducir el consumo en su etapa de uso y cuya función es responder a una demanda térmica. 3.3.1.1. La demanda de climatización De los estudios previos referidos a sistemas de climatización todo aire se destaca la evaluación en el ciclo de vida llevada a cabo por Heikkila [8]. En esa investigación la 50 unidad funcional quedó definida como una unidad climatizadora, que distribuye un volumen de aire variable de 4,8 m3/s 24 h al día durante 15 años. La temperatura de suministro de aire es de 16 °C y la temperatura de la habitación varía entre 20 °C y 25 °C. Respecto a los estudios de ACV analizados de equipos de refrigeración o calefacción todo-agua, se destaca la evaluación ambiental realizada por Beccali y otros [9] de un sistema de climatización por absorción con bomba de calor como sistema auxiliar. La unidad funcional se definió de tres maneras diferentes: la primera de ellas como una unidad de producto, siendo dicha unidad la instalación completa. La segunda, la potencia pico (kW) que es capaz de aportar el equipo de absorción y la tercera es la producción térmica de la máquina (kWh). También se debe destacar el estudio realizado por Bloom y otros [10] donde se trabajó sobre la rehabilitación de las instalaciones de agua caliente sanitaria, climatización y ventilación bajo diferentes opciones. En este análisis la unidad funcional se cuantificó como el equipamiento necesario de calefacción y ventilación para mantener la temperatura interior media en 18 °C y un caudal de ventilación de 0,7 dm3/s por m2 de área de suelo. En la misma línea del anterior, Yang y otros [11] compararon los impactos ambientales de dos sistemas de calefacción. Sin embargo, ninguna unidad funcional fue definida en el estudio de ciclo de vida. 3.3.1.2. La demanda de ACS Respecto a los estudios de ACV donde la instalación solar tiene una doble función, satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria y calefacción, se destaca el estudio 51 realizado por Bribian y otros [12]. En dicho estudio se contempla una captación solar con acumulación y una caldera como sistema auxiliar; sin embargo, no se define la unidad funcional. En cuanto al ACV de una instalación con la única función de satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria, se analiza la unidad funcional de un estudio comparativo realizado por Azapagic y otros [13] entre una instalación con captación solar diseñada con captadores planos o con tubos de vacío; la unidad funcional quedó definida como la generación de un kWh térmico. 3.3.2. La unidad funcional y la temperatura interior Se consideran en este nivel aquellos estudios de ACV que evalúan el rendimiento del edificio en el ciclo de vida considerando la envolvente y la instalación de climatización para garantizar unas condiciones de temperatura y calidad del aire en el interior del edificio. La UF en los artículos de investigación ha sido cuantificada de diversas maneras por diferentes autores. Entre las distintas definiciones de la UF podemos destacar: - La UF como 1 m2 de superficie útil [14]. En este estudio de ACV se evaluaron cinco edificios residenciales, considerando la etapa de producción, uso y mantenimiento - La UF como 1 m2/año [15] [16]. En ambos estudios se evaluaron diferentes medidas de mejora en la envolvente y en las instalaciones. - La UF como la superficie útil total habitable de una vivienda en su vida útil ocupada por cuatro personas [17]. En esta investigación se evaluaron siete soluciones de envolvente sobre el mismo sistema de climatización. 52 - La UF como los MJ de energía primaria necesarios para garantizar el confort en un año [18]. Cuatro opciones de mejora fueron evaluadas, contemplando mejoras en la envolvente y en el sistema de ventilación sobre el mismo sistema de refrigeración. 3.4. Metodología para definir la unidad funcional La metodología descrita en esta sección pretende dotar de criterio a los estudios de ACV a la hora de definir la unidad funcional, ordenando los conceptos y parámetros que la cuantifican, en el contexto de las distintas etapas de un ACV. 3.4.1. La definición de la unidad funcional Del análisis de los casos de estudio anteriores se puede concluir que cuando se trata de evaluar elementos de un edificio cuya función es satisfacer una demanda de energía térmica o garantizar una temperatura y una calidad del aire interior con el menor consumo, la unidad funcional ha sido enunciada de manera muy diversa. El reto por tanto es la definición de la unidad funcional como cuantificación de la función del sistema del producto, en relación a los objetivos del ACV y a los flujos de masa, energía y emisiones que se considerarán en el análisis de inventario. Para ello se propone una metodología basada en las funciones y los sistemas del edificio. Los sistemas del edificio recogen de un lado el equipamiento y los elementos evaluados y del otro dan respuesta a las funciones que debe satisfacer el edificio. Estos sistemas del edificio configuran el sistema evaluado en el ciclo de vida, el cual acompañado de la definición de los límites y alcances del mismo establecen el sistema del producto en el ciclo de vida. 53 3.4.1.1. La cuantificación de la función El objetivo de capítulo es definir la unidad funcional como cuantificación de la función del sistema del producto. Dos son las funciones del edificio evaluadas en este capítulo: - Dar respuesta a una demanda de energía térmica. - Dar respuesta a unas condiciones de temperatura y calidad del aire interior. Por tanto la cuantificación de la demanda de energía térmica se establecerá en unidades de potencia o energía (kW o kWh), dependiendo si se trata de demanda pico o en un periodo de tiempo; y en unidades de temperatura y caudal, por ejemplo, °C y L/s, si se cuantifica una temperatura interior y una calidad de aire. 3.4.1.2. El sistema evaluado y el sistema del producto Una vez establecida la función, se trata de definir el sistema del edificio que responde a la misma. De esta manera para responder a una demanda de energía térmica tendremos un sistema de climatización o de ACS, mientras que para mantener la temperatura del aire interior se evaluará un sistema de estudio compuesto de dos sistemas del edificio, la envolvente y una instalación de climatización. No se puede dejar a un lado que la selección de la unidad funcional conlleva la definición de unos flujos de masa y de energía para el análisis de inventario. Se definirá, por tanto, el sistema evaluado en el ciclo de vida como los sistemas del edificio que responden a la función, y se justificará su porcentaje de participación en respuesta a la función, ya que los elementos del sistema del edificio pueden, a su vez, dar servicio a una o más funciones. 54 Por ejemplo, en el caso de una instalación de climatización con equipo de absorción, los captadores solares tienen una doble función, la satisfacción del confort del aire interior y el suministro de agua caliente sanitaria. Se deberá por tanto justificar cual es la asignación de masa y energía a cada función para su correcto cómputo en el análisis de inventario y la posterior evaluación de impacto. Lo mismo ocurre en el caso de la envolvente, ya que además de tener la función de protegernos del aire exterior también nos protege del ruido exterior. Si la función del sistema de estudio es la térmica se deberá justificar la asignación de masa a cada función. Finalmente, el sistema del edificio evaluado, más la definición de los límites y el alcance del ACV se denomina sistema del producto, entendiendo los límites como las fases (producción, uso, mantenimiento y fin de vida) y el alcance como los años de vida útil del edificio. 3.4.1.3. La unidad funcional como la cuantificación del sistema del producto Una vez cuantificada las funciones, identificados los sistemas del edificio que las satisfacen, definidos los límites y el alcance, se define la unidad funcional como respuesta a las siguientes preguntas: ¿Cuántos sistemas del producto son necesarios para cumplir la función? ¿Cuáles son los límites y el alcance del sistema del producto? ¿Qué sistemas del edificio configuran el sistema evaluado? ¿Cuál es la función de los sistemas del edificio? 55 En definitiva, si se contestan las preguntas anteriores se obtienen los parámetros a incluir en la definición de la unidad funcional y el sistema del producto. Por ejemplo: - La función evaluada, es decir, una demanda de refrigeración, calefacción o climatización en kW o kWh; o una temperatura de confort en °C. - Los sistemas del edificio que las satisfacen, es decir, la envolvente, un sistema de instalaciones (refrigeración, calefacción, climatización o agua caliente sanitaria) o un sistema evaluado compuesto por la envolvente y un sistema de refrigeración, calefacción o climatización. Las medidas evaluadas en el edificio como, por ejemplo, el aislamiento, una climatizadora o un captador solar son elementos que se integran en los sistemas del edificio. - Los límites y alcance del estudio, es decir, las etapas consideradas del ciclo de vida y la vida útil del edificio. - El número de sistemas del producto necesarios evaluar la función en el ciclo de vida. En la Fig. 3.3 se especifican los parámetros propuestos para la definición de la unidad funcional así como las relaciones entre ellos. De un lado, se muestra la información requerida para definir la unidad funcional, es decir, la función evaluada, el sistema del edificio que satisface la función, el periodo de vida útil del edificio en el cual debe ser satisfecha la función (alcance) y las etapas del ciclo de vida consideradas. En estudios de ACV que evalúen elementos de un sistema, como por ejemplo un captador solar, igualmente se informará del sistema del edificio. Por otro lado, se indican las relaciones principales entre los parámetros que definen la unidad funcional y el sistema del producto. Por tanto, el sistema del producto es el sistema del edificio que satisface la función evaluada en el ciclo de vida en un periodo de vida útil del edificio. 56 3.4. 2 El a n cálc u Esto s med i porc e A su sus solu c anál i esce n mis m UF. Ele m Fig. 3. 3 2 . La unid a n álisis de u lo para cu a s datos ser á i r en el an á e ntaje de a s u vez, en la l elementos c iones de e i sis de inv e n arios prop m a función; m entos 3 . Parámetros p a d funcion a inventario a ntificar la s á n validad o á lisis de in v s ignación d e l iteratura, l o (ventanas, nvolvente o e ntario se uestos sob r en definit i S d p ara la defini c a l y el análi s implica la s entradas y s por la u n v entario. L a e l sistema d o s sistemas aislamien t o de la ins t cuantificar á r e un escen i va todos l o S istemas d el edificio c ión de la uni d sis de inve n recopilaci ó y salidas p e n idad funci o a s entradas d el edificio a del edifici o t o, tipo d e t alación se á el difere n n ario base, p o s escenari d ad funcional n tario. Los ó n de dato e rtinentes d o nal ya qu e de datos d a la funció n o son evalu a e captador denomina n cial mate r p ero todos os quedará n Unidad funcion a Función evaluad a Sistema d producto [Elaboración escenario s s y los pr o d e un siste m informa d e d eberán qu e n evaluada. a dos modif i sola r ). C a e scenario d r ial y de e n l os escena r n evaluado a l a d el n propia]. s de estudi o o cedimient o m a del pro d e lo que se e dar ajusta d i cando alg u a da una d d e estudio. e nergía ent r r ios cumpli r s bajo la m Alcanc e etapas o o s de d ucto. debe d as al u no de d e las En el r e los r án la m isma e y 57 En el caso de que la cuantificación de la función de alguno de los escenarios no coincida se deberá definir una nueva unidad funcional, y dichos escenarios no serán comparables. Volviendo al ejemplo de la instalación de climatización con equipo de absorción esta podrá estar conectada a red para satisfacer la demanda en franjas horarias donde no existe aporte solar, es decir responderá a una demanda anual (kWh). Sin embargo, si esta edificación no estuviera conectada a red, en el caso de una edificación aislada, la función sería responder únicamente a la demanda cuando hubiera aporte solar. En este ejemplo se deberán definir dos unidades funcionales y en cada una de ellas podremos identificar diferentes escenarios, por ejemplo con mayor o menor superficie de captación solar, volumen de acumulación o potencia de las bombas. Por otra parte, los sistemas del edificio responden a una función. Por ello, cuando se informa del alcance estamos estableciendo el periodo de amortización de los elementos evaluados en función de su vida útil y la del edificio. De esta manera se conocerá el número de reposiciones necesarias de los elementos con menor vida útil que el edificio y que constituye la entrada en el análisis de inventario correspondiente a la etapa de mantenimiento. 3.4.3. La relación de la unidad funcional con las etapas de evaluación de impacto y la interpretación de resultados Concluida la segunda etapa, se realiza la evaluación de impacto. De un lado, el alcance definido en la unidad funcional establecerá el periodo de años en el cual se amortizarán los impactos ambientales de aquellos elementos con una vida útil mayor a la restante del edificio. Por otra parte, la cuantificación de los distintos indicadores, en esta tercera etapa, quedará expresada en relación a la unidad funcional. Por ejemplo si se ha seleccionado la categoría de impacto potencial de calentamiento global (GWP) y se 64 Finalmente, los resultados de cada categoría de impacto para cada escenario no quedan referenciados a la unidad funcional; en este caso de estudio, por ejemplo, y una vez definida la nueva unidad funcional, cada categoría se expresaría en como MJ/año .UF y kgCO2eq./año.UF. Los resultados si fueron interpretados en función del público definido en la primera etapa, es decir, a profesionales del sector de la construcción, donde los valores se referencian por m2. 3.6. Conclusiones Este artículo se centra en aportar información para la definición de la unidad funcional en estudios de ACV donde se evalúan medidas en edificios con el objetivo de satisfacer el confort ambiental y el abastecimiento de agua caliente sanitaria con el menor consumo de energía. Esta investigación propone una metodología para la definición de la unidad funcional basada en las funciones y los sistemas del edificio. Además se establecen las relaciones de la unidad funcional con el resto de etapas que configuran un estudio de ACV y se aplica a distintos casos de estudio presentes en la literatura. Las principales conclusiones son: El equipamiento y los elementos evaluados para lograr el objetivo del estudio se integran en los sistemas del edificio. Por ejemplo, un estudio que evalúe diferentes soluciones de aislamiento del edificio estará evaluando la envolvente bajo distintas configuraciones. Estas configuraciones se denominan escenarios. Un sistema del edificio puede satisfacer una o más funciones en el mismo, por lo que se deberá justificar el porcentaje de participación para cada función. De esta manera se cuantificarán los flujos de masa, energía y emisiones en el análisis de inventario. 65 A su vez, el sistema del edificio que responde a la función, más la definición de los límites y alcance del estudio se denomina sistema del producto. El alcance del estudio se corresponde con la vida útil del edificio. De esta manera se establecen las entradas y salidas correspondientes a la fase de mantenimiento en el análisis de inventario y se define la amortización de los impactos de aquellos elementos con una vida útil no coincidente con la del edificio. Una vez conocido el sistema del producto, la unidad funcional se definirá como respuesta a las siguientes preguntas: ¿Cuántos sistemas del producto son necesarios para cumplir la función?, ¿Cuáles son los límites y el alcance del sistema del producto?, ¿Qué sistemas constructivos configuran el sistema del producto?, ¿Cuál es la función de los sistemas del edificio? Una vez expresada la unidad funcional según la metodología propuesta, todos los escenarios que se planteen responderán a la misma unidad funcional. Finalmente, los resultados de las distintas categorías de impacto quedarán referenciados a la unidad funcional. Además, en función del público a quién se dirija el estudio los valores de cada categoría se expresarán, en la etapa de interpretación de resultados, por ejemplo, como kgCO2eq.UF.m2. Referencias del capítulo 3 [1] ISO-14040. Environmental Management –Life Cycle AssessmentPrinciples and Framework, 2006. [2] ISO-14044. Environmental Management –Life Cycle AssessmentRequirements and Guidelines, 2006. 66 [3] U. Iyer-Raniga, J.P.C. Wong, Evaluation of whole life cycle assessment for heritage buildings in Australia, Building and Environment 47 (2012) 138-149. [4] K. Van Ooteghem, L. Xu, The life-cycle assessment of a single-storey retail building in Canada. Building and Environment 49 (2012) 212-226. [5] L. 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Zabalza Bribian I, A. Aranda Usón, S. Scarpellini, Life cycle assessment in buildings: State-of-the-art and simplified LCA methodology as a complement for building certification, Building and Environment 44 (2009) 2510-2520. [13] B. Greening, A. Azapagic, Domestic solar thermal water heating: A sustainable option for the UK? Renewable Energy 63 (2014) 23-36. [14] A. Passer, H. Kreiner, P. Maydl, Assessment of the environmental performance of buildings: A critical evaluation of the influence of technical building equipment on residential buildings. International Journal of Life Cycle Assessment 17 (2012)11161130. [15] G.A. Blengini, T. Di Carlo, Energy-saving policies and low-energy residential buildings: an LCA case study to support decision makers in Piedmont (Italy), International Journal of Life Cycle Assessment 15 (2010) 652-665. [16] F. Asdrubali, C. Baldassarri, V. Fthenakis, Life cycle analysis in the construction sector: Guiding the optimization of conventional Italian buildings, Energy and Building 64 (2013) 73-89. [17] H. Monteiro, F. Freire, Life-cycle assessment of a house with alternative exterior walls: Comparison of three impact assessment methods, Energy and Building 47 (2012) 572-583. [18] R. Assiego de Larriva, G. Calleja Rodríguez, J.M. Cejudo López, M. Raugei, P. Fullana i Palmer, A decision-making LCA for energy refurbishment of buildings: Conditions of comfort, Energy and Building 70 (2014) 333-342. 68 69 Capítulo 4 Avances en la evaluación de impacto ambiental de edificios Resumen Una vez definida la unidad funcional, y conocidos los elementos y sistemas que deben ser cuantificados en el análisis de inventario, en este capítulo se recogen los avances en la fase de evaluación de impacto e interpretación de resultados necesarios para desarrollar los casos de estudio, capítulos 5, 6 y 7, de esta Tesis. Estos avances son: - La acotación del ciclo de vida a las etapas desde la puerta de la fábrica hasta el desmontaje y derribo, basada en la sustitución del inventario de emisiones en la puerta de la fábrica por información ambiental procedente de declaraciones ambientales de producto, bases de datos o la literatura. - La realización del inventario de la información ambiental asociada a los materiales en la puerta de la fábrica, al transporte, a las etapas de construcción, mantenimiento y desmontaje, por año de vida útil del edificio. - La contabilización del consumo de energía primaria derivado de la etapa de uso del edificio mediante simulaciones por año y en base horaria, y en relación al aporte de renovables en el mix eléctrico. 70 4.1. Introducción En este capítulo se aporta la información necesaria para la realización de un análisis de la energía en el ciclo de vida en edificios; en particular, cuando se trata de estudios cuyo objetivo es la toma de decisiones en las primeras fases de proyecto, entre diferentes soluciones de diseño, comparando el consumo de energía primaria en el ciclo de vida, junto a sus emisiones de efecto invernadero asociadas. De un lado, las distintas soluciones de diseño se establecen para responder a unos condicionantes, por ejemplo, el clima del lugar, y a unos requisitos específicos, por ejemplo, la actividad que en el edificio se vaya a desarrollar y la normativa entre otros. Diferentes autores han evaluado edificios en el ciclo de vida considerando el clima del lugar. Así tenemos los estudio realizados por Thomark y otros [1] y Heikkilä [2] en el ámbito geográfico de Suecia, el estudio realizado por Freire y otros [3] en el entorno de Portugal, o el estudio realizado por Asdrubali y otros en Italia [4]. Sin embargo, no hay estudios de ciclo de vida donde el diseño considere técnicas de acondicionamiento como, por ejemplo, la ventilación cruzada o el enfriamiento evaporativo, así como la incorporación de un motor de microcogeneración en una instalación de agua caliente sanitaria. Además, en los estudios descritos no se justifica la viabilidad técnica de la ejecución de las soluciones. Por otra parte, los estudios de ciclo de vida consideran los procesos en el edificio como una suma de entradas, en forma de masa y energía, y de salidas, en forma de emisiones y vertidos [5]. En concreto, en un edificio intervienen una gran cantidad de materiales, de procesos, lo que dificulta la realización del inventario. Diferentes autores han definido metodologías simplificadas para la superación del problema. Entre ellos, Bribián y otros [6] propusieron la eliminación de las etapas de transporte, construcción 71 y fin de vida del edificio; Kellemberger y otros [7] realizaron un estudio donde se evaluó la importancia de omitir alguna de las etapas, destacando que las etapas de construcción y fin de vida pueden eliminarse del análisis. Son metodologías basadas en la eliminación de algunas de las etapas que tienen menos peso en el total. Sin embargo, no existen metodologías de ciclo de vida que abordan el problema de la disponibilidad de los datos reales necesarios en un estudio concreto de ACV. Las bases de datos están incompletas. En este sentido, existe un debate en la comunidad de ciclo de vida entre ser “precise” o “accurate” con los datos, es decir, por ejemplo, si se trabaja con un mix eléctrico media de los países europeos o con el mix eléctrico del país donde se ubica el edificio evaluado [8]. En esta Tesis se establece una metodología en el ciclo de vida de edificios ajustada a la realidad del lugar, considerando los elementos a la puerta de la fábrica no como un proceso, en forma de entradas y salidas (masa, energía y emisiones), sino como un dato con una información ambiental en forma de impactos cuantificados asociados por año de vida útil del edificio (MJ de energía primaria, kgCO2eq.). En resumen, se destacan las etapas desde la puerta de la fábrica hasta fin del desmontaje y derribo del edificio justificada en datos ambientales ya existentes de materiales y en la existencia de plantas de reciclaje en la misma ciudad del edificio, que minimizan el impacto del transporte. Además, mediante la cuantificación de las categorías de impacto seleccionadas se avanza sobre el actual marco normativo en materia de energía en edificios [9], que considera, únicamente, el consumo de energía primaria y las emisiones de CO2 derivadas de la fase de uso del mismo. Los avances desarrollados en este capítulo se establecen a partir de una discusión sobre casos presentes en la literatura. 72 4.2. J Las d con l tom a com p desc r dest a mat e eval u cale n Ade m en s u de e s - La en 1 0 de a i mie n J ustificaci ó d istintas ca t l os objetiv o a do decisi o p aración d e r iben las d a cando el d e riales en l a u ó junto a n tamiento g Fig. 4.1. So l m ás, cuand o u relación c o s tudio que e energía pri m 0 edificios d i re acondic i n tras que en ó n de las c a t egorías de o s del estud i o nes evalu a e distintas m d istintas s o d ebate entre a s distintas a otras ca t lobal, la ac i l uciones de f a o el objetiv o o n la energ í e valúa n : m aria y las d e oficinas i onado con los otros d o a te g orías d e impacto, e n i o. En este a ndo el r e m edidas q u o luciones d la incorpo capas del t egorías d e i dificación p a chada evalua d o se ha est a í a de utiliz a emisiones d en Japón. E bomba de o s se conec t e impacto n un estudi o sentido se a e ndimiento u e disminu y d e fachada o ración de m cerramien t e impacto p otencial o d as en una vi v a blecido en a ción y el t o d e CO 2 [10 ] E n ocho de calor y e m tan a una r e o de ciclo d e a naliza, po r ambiental y an el con s que se c o m ás o men o t o exterior. como, en t la eutrofiz a v ienda unifa m la definici ó o tal, en la li t ] . Esta inve estos edifi c m isión en lo s e d urbana d e e vida, deb e ejemplo, u del edifi c u mo [3]. E o nsideraro n o s aislamie n El consu m t re otras, a ción. m iliar por Frei r ó n de la en e t eratura se e s tigación f u c ios se con s s loc a les m e frío y cal o e n ser cohe r u n estudio q co media n E n la Fig. 4 n en el m n to con dis m o de ener g el potenci a r e y otros [3]. e rgía incorp e ncuentran u e llevada a s idera un si s m ediante fa n o r. r entes q ue ha n te la 4 .1 se m ismo, tintos g ía se a l de orada casos a cabo s tema n coils, 73 - La energía primaria por año [11]. Este estudio es una revisión de diferentes estudios recogidos en la literatura. Se analizaron 73 edificios, de uso residencial y de oficinas, en 13 paises. - La energía primaria junto a las emisiones de efecto invernadero [12]. Se trata de un estudio comparativo entre dos sistemas de calefacción para una vivienda unifamiliar en Canadá. El primero de ellos se define como un sistema todo agua con ventilación mecánica y recuperación de calor del aire de extracción y el segundo es un sistema todo aire. Por otra parte, en la actual certificación energética los consumos de energía primaria y las emisiones CO2 correspondientes a la fase de uso se consideran por año. Por tanto, no se considera la energía incorporada ni emisiones, que junto a las emisiones de CO2, provocan igualmente el efecto invernadero. Estas emisiones son el metano (CH4) y el óxido de nitrógeno (N2O). En este sentido, Bribian y otros [6] propusieron una metodología de ciclo de vida como complemento a la certificación energética actual en España. En ella se evaluó el consumo de energía primaria y las emisiones de CO2 en el ciclo de vida de un sistema de agua caliente sanitaria y calefacción con energía solar y una caldera. En la Fig. 4.2 se observan los consumos y emisiones acumuladas en la etapa de uso frente a un consumo y unas emisiones debidas a la etapa de producción. Además se destaca como en veintitrés años el consumo acumulado en la etapa de uso se iguala a la energía incorporada. Respecto a las emisiones de CO2 se necesitaron treinta y cinco años. Sin embargo, con la metodología propuesta no se define la energía incorporada ni las emisiones de efecto invernadero por año. 80 energía. Los consumos se corresponden con los flujos en la etapa de uso. A su vez, estos consumos serán térmicos (kWh/año), debidos al consumo de gas, o eléctricos (kWh/año) y para ser considerados como un flujo en el ciclo de vida se convertirán a energía primaria. Los factores de paso de energía final eléctrica a primaria se calculan a partir de las emisiones de CO2, que se consideran en la siguiente sección. Los valores se definen en la Tabla 4.2 (sección 4.3.2) junto a los factores de paso de energía final a emisiones de CO2. Finalmente, se considera el consumo de energía debido al transporte desde la puerta de la fábrica hasta el lugar donde se diseña el edificio, su puesta en obra y fin de vida. En esta investigación se considera el transporte de los materiales en camión realizando un viaje de ida y vuelta. Sin embargo, cuando se trata del transporte de elementos elaborados en la misma ciudad los impactos debidos al transporte no se consideran. Lo mismo ocurre, con el transporte debido a la etapa de fin de vida. Se considera que el edificio y la planta de reciclaje se encuentran en la misma ciudad. Por tanto, no se contabilizan [8]. En esta Tesis, basada en la toma de decisiones en la fase de diseño, se establece la hipótesis de que las etapas de construcción y fin de vida del edificio tienen un 5% sobre el total de los impactos en el ciclo de vida (ver capítulo 2, sección 2.2.2.1). 4.3.2. Salidas del sistema evaluado Las salidas del sistema son las emisiones producidas en los procesos de elaboración de los elementos que forman parte de los distintos sistemas así como las provocadas en la producción de la energía que llega al edificio. González y otros [18] evaluaron la 81 cantidad de CO2 emitido a la atmósfera en las distintas fases del ciclo de vida de un edificio. Las emisiones de CO2 en la generación de la energía eléctrica están relacionadas con el consumo de energía primaria por fuente de producción, es decir, en función de la aportación de cada una al mix eléctrico. Además, la relación entre el consumo de energía eléctrica final y las emisiones de CO2 producidas en la generación de la energía se establece mediante los denominados factores de conversión, que a su vez son consecuencia de la composición del mix eléctrico. Por tanto, un mayor o menor aporte al mix eléctrico de una u otra fuente de energía modificará el factor de conversión. Los factores de conversión son publicados por los organismos públicos competentes en la materia de cada país. Por ejemplo, en España son publicados por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE). En la actual certificación energética se establece un valor de 0,649 kgCO2/kWhf. En la literatura, estos factores son los mismos que se toman en la certificación energética de edificios para determinar el consumo de energía primaria en la etapa de uso [19]. Son estudios de ciclo de vida atribucionales. En definitiva, en estos estudios, no se evalúa el posible aumento de renovables en el mix eléctrico a lo largo del ciclo de vida. Esta variación será consecuencia de las políticas energéticas de cada país en relación a los compromisos ambientales internacionales. En esta investigación, el inventario de emisiones de CO2, junto a las otras emisiones que también causan el calentamiento global como el CH4, N2O, referidas a las etapas desde la puerta de la fábrica hasta fin de vida del edificio, se sustituye por un inventario de datos con información ambiental desagregada por año de vida útil del edificio, es decir, 82 un elemento de un sistema del edificio se incorpora al estudio mediante la cuantificación de las categorías de impacto por año a la salida de la fábrica. Además, para las emisiones en origen debidas al consumo de energía primaria en la etapa de uso se considera la cantidad de renovables en el mix y se evalúa cómo afecta una mayor contribución al sistema estudiado, es decir, se compararán los resultados tras la realización de una aproximación atribucional y otra consecuencial. En la Tabla 4.2 se describen los factores de conversión de energía final a primaria y a emisiones de CO2 al origen en función del porcentaje de renovables en el mix eléctrico [20]. Tabla 4.2. Renovables en el mix eléctrico (%) y factores de conversión en el periodo 2005-2011 [20] % kgCO2/kWhf kWhp/kWhf 2005 18 0,491 2,6 2006 19 0,456 2,58 2007 20 0,459 2,51 2008 22 0,383 2,39 2009 25 0,352 2,33 2010 33 0,284 2,29 2011 30 0,364 2,49 4.4. La cuantificación de las categorías de impacto En los estudios de ciclo de vida, la cuantificación de las distintas categorías de impacto se valida informando que se ha utilizado un programa informático que incorpora una determinada base de datos [4]. Por ejemplo, se informa que se ha utilizado Gabi [21] o Simapro [22] que incorpora las bases de datos Ecoinvent [23] o GaBi Profesional [24]. Sin embargo, no todos los elementos que componen el sistema del edificio evaluado están recogidos en las bases de datos, o lo que es lo mismo, son pocos los análisis en los que se informa del procedimiento de ajuste del dato a la realidad del estudio, ni el periodo de validez o de su vida útil. 83 En esta Tesis se trabaja con datos ambientales conocidos de elementos a la puerta de la fábrica. En caso de que no se disponga de ellos se explica, a continuación, el procedimiento de asignación de impactos al elemento inventariado. Igualmente se describen las hipótesis consideradas cuando no se dispone de datos actualizados, no se conocen todas las emisiones que causan el efecto invernadero asociadas a un proceso y cuando un elemento tiene una vida útil mayor a la del edificio. 4.4.1. La calidad de los datos ambientales Un estudio de análisis de ciclo de vida en edificios debe ser sensible a la calidad de los datos. Por ello, en este trabajo se informa del elemento, de sus características técnicas, de su lugar de procedencia, de su vida útil, del periodo de validez de la información ambiental, la distancia considerada en el transporte y finalmente de su referencia. Igualmente se define la cuantificación de las categorías de impacto. En el caso de que estos datos no coincidan con los elementos de diseño, los datos ambientales facilitados por las herramientas informáticas, declaraciones ambientales de producto o que se encuentran en la literatura se ajustan a la realidad física del sistema en el edificio. En esta investigación se ha procedido de la siguiente manera: - Dando un paso “aguas arriba” y determinando la información ambiental del elemento a partir de la información ambiental de sus componentes. En el caso de no disponer de la información ambiental de los componentes, pero sí de sus emisiones asociadas, se aplican los factores de caracterización al inventario de las emisiones (ver capítulo 2, sección 2.4.1.). - Realizando una asignación por masa del producto a otro producto de las mismas características técnicas y constructivas. Las características técnicas se recogen en la 84 definición de la unidad funcional. De esta manera, un determinado elemento tiene unos impactos por unidad funcional. Sin embargo, incluso teniendo ajustado el dato ambiental del material a la realidad del estudio, se puede dar la circunstancia de que su periodo de validez haya vencido, se trabaje en un edificio que se va a rehabilitar o únicamente se disponga de las emisiones de CO2 de un proceso. En esta Tesis se establecen una hipótesis que permitan continuar con la evaluación. 4.4.1.1. Hipótesis consideradas En esta investigación se plantean las siguientes hipótesis: - La validez de los datos. Cuando se trabaja sobre la información ambiental de un material, un parámetro importante es la validez del dato. La validez del dato informa del periodo en el cual la información ambiental facilitada, por ejemplo, por una declaración ambiental de producto (DAP) se corresponde con la tecnología, los componentes y la energía utilizada en la elaboración de la DAP. Una vez caducada la información ambiental hay que actualizar los datos, actulizar la DAP. Sin embargo, en la práctica encontrar actualizaciones de la DAP es complejo, ya que queda pendiente a la realización de nuevos proyectos de investigación, subvenciones públicas a empresas, etc. En esta Tesis se han utilizado, entre otros, datos ambientales cuyo periodo de validez ha terminado. Se justifica su utilización en base a un análisis de los posibles cambios en la tecnología de fabricación del material y en la composición del mix eléctrico desde su caducidad [8]. 85 - Las emisiones de CO2 caracterizadas como CO2eq. De un lado, la producción de energía eléctrica conlleva unas emisiones que causan el efecto invernadero. Estas emisiones se recogen en forma de CO2, CH4 y N2O. Sin embargo, diferentes autores han recogido las emisiones de CO2 como la cuantificación de la categoría potencial de calentamiento global, cuantificada en CO2eq. [8], es decir, se considera que las fuentes de producción que definen el mix eléctrico, en referencia a las emisiones que causan el calentamiento global, emiten casi en su totalidad emisiones de CO2. Por ejemplo, en la base de datos ELCD [25], se informa de las emisiones en el mix eléctrico de cada país. En concreto, para España, en la producción de 1 kWh eléctrico se desprenden 0,41 kgCO2, 0,00122 kgCH4 y 0,0000465 kgN2O. Si se unifican las emisiones bajo la categoría de impacto potencial de calentamiento global, aplicando los índices descritos en el capítulo 2, sección 2.4.1, se obtienen 0,43 kgCO2eq. Por tanto, frente a los 0,41 kgCO2, se toman en esta investigación los valores de emisiones en la producción de electricidad caracterizados como kgCO2eq. Por otra parte, en la investigación de las emisiones de un elemento del edificio pueden encontrase únicamente las emisiones de CO2. En este caso se justificará su cuantificación en CO2eq. en relación al peso del elemento en el total, de su influencia en la evaluación del sistema estudiado [8]. - La amortización de los impactos en el ciclo de vida del edificio. En un estudio de ciclo de vida en edificios intervienen una gran cantidad de materiales. Cada uno de ellos tiene una vida útil. Esta vida útil puede o no coincidir con la vida útil del edificio. La vida útil del edificio es la referencia del estudio. En el caso de que no coincida, los se adaptarán a los años de vida útil del edificio. Es el caso de un edificio a rehabilitar. 86 En esta investigación se propone que los impactos debidos a los materiales de una vida útil superior al del edificio se amorticen en los años de vida útil restante del edificio. En la Fig. 4.5 se muestra la relación entre la vida útil, por ejemplo, de un panel de aislamiento en un edificio a rehabilitar y la vida útil del edificio; en ella se observa como la vida útil del aislamiento es mayor que la del edificio. Fig. 4.5. Periodo de amortización de los impactos asociados al aislamiento [Elaboración propia]. 4.4.1.2. Ejemplo. Calidad de los datos ambientales Antes de abordar la evaluación de impacto considerando todas las etapas del ciclo de vida de un edificio, se ponen en práctica los avances descritos cuando no se dispone exactamente del material inventariado y la vida útil del mismo no coincide con la del edificio. Se realiza mediante un ejemplo de un material constructivo considerado desde la puerta de la fábrica hasta el fin de vida el edificio, sin considerar la etapa de uso. Además este material será utilizado en el caso de estudio 3 Se trata de un edificio a rehabilitar en Málaga con una vida útil restante de 20 años. Una de las estrategias para su rehabilitación es la colocación de aislamiento sobre el cerramiento vertical exterior (1000 m2) para aumentar el aislamiento de la envolvente. El aislamiento diseñado es un panel de lana de roca de 30 mm de espesor, 500 mm de 1983 2033 2013 (rehabilitación) 2063 Aislamiento Vida útil restante del edificio Vida útil del aislamiento Vida útil del edificio 87 ancho y 1500 mm de largo. La densidad es de 30 kg/m3. La vida útil considerada es de 50 años. En primer lugar se investiga en las bases de datos de referencia, declaraciones ambientales de producto y otros artículos de investigación. Se concluye que el producto que más se asemeja al aislamiento de proyecto es el siguiente: “Un panel de lana de roca de 50 mm de espesor, un área de 600 mm de ancho por 1350 mm de largo. La densidad es de 30 kg/m3 y pesa 1,215 kg. La vida útil del panel es de 50 años y se fabrica en Navarra. Los datos son válidos para el periodo 2010-2015” [26]. Además, los impactos del panel, por categoría seleccionada y unidad funcional son 26,75 MJ de energía primaria por metro cuadrado de panel y 4,35 kg CO2eq. por metro cuadrado de panel [26]. Conocida la densidad y el espesor se concluye que estos impactos se corresponden a un peso de 1,5 kg/m2. Como se observa, las principales diferencias entre el panel de diseño y el de referencia son el grosor y la superficie. El panel de diseño tiene un peso de 0,9 kg/m2. En este ejemplo se realiza una asignación de impactos en función del espesor, desde el panel de referencia al de proyecto. De esta manera los impactos del panel de proyecto, por categoría seleccionada y unidad funcional son 16,05 MJ de energía primaria por metro cuadrado de panel y 2,61 kgCO2eq. por metro cuadrado de panel. Por tanto, como se aplica sobre una superficie de 1000 m2, los impactos sobre el total del ciclo de vida del elemento son de 16050 MJ de energía primaria y 2610 kgCO2eq. A continuación, como las categorías se justifican por año de vida útil del elemento, los impactos se cuantifican en 321 MJ/año de consumo de energía primaria y 52,2 kgCO2eq./año. Finalmente, el aislamiento se coloca sobre un edificio cuya vida útil restante es de 20 88 años, es decir, en la evaluación de ciclo de vida del edificio el aislamiento tendrá unos impactos de 802,5 MJ/año de consumo de energía primaria y 130,5 kgCO2eq./año, siendo los años igual a los años de vida útil restante del edificio. 4.4.2. Ejemplo de evaluación de impacto Una vez obtenida la información ambiental del aislamiento definida en proyecto en la puerta de la fábrica en base a datos existentes (802,5 MJ/año de consumo de energía primaria y 130,5 kgCO2eq./año), se evalúa en conjunto con el mismo edificio con un consumo en climatización anual de 2500 kWh. La cuantificación de las distintas categorías has sido realizada utilizando una hoja de cálculo. El aislamiento se transporta hasta el lugar donde se construye el edificio. En este ejemplo, al panel de aislamiento se fabrica en Caparroso (Navarra) y se transporta por carretera hasta Málaga. En la declaración ambiental de referencia [26] se menciona que están incluidos 380 km en los datos ambientales del producto. Como la distancia es de 850 km, se deben incluir los impactos debidos al transporte del aislamiento (0,9 t) una distancia de 470 km (940 km considerando ida y vuelta). Por tanto, considerando como referencia los impactos de trasportar 0,9 t 1 km de 4,6 MJ y 0,144 kg CO2eq. se obtienen unos impactos de 4324 MJ y 135,36 kg CO2eq., es decir, 216,12 MJ/año y 6,77 kg CO2eq/año, siendo los años igual a la vida útil restante del edificio. Con posterioridad a la recepción del material en obra, el aislamiento se colocará en el edificio en la etapa de construcción. Esta etapa se considera junto a la etapa de desmontaje y derribo, y se cuantifica con un peso del 5% en el total de impactos en el ciclo de vida. Por ello se necesita realizar primero la evaluación de impacto en la etapa de uso y mantenimiento. 89 En la etapa de uso, el consumo de energía final en climatización causará unos impactos debidos a la producción en origen. En concreto, considerando los coeficientes de paso de energía final a primaria de la energía eléctrica en vigor (0,224 tep/MWhf y 0,649 kgCO2eq/kWhf), se obtiene un consumo de energía primaria de 23446 MJ/año y 1622 kg CO2eq/año. En este ejemplo, el aislamiento no tiene mantenimiento, por lo que no se computa dicha etapa. Finalmente, los impactos de la etapa de construcción y derribo son 1287,61 MJ/año y 92,6 kgCO2eq/año. En resumen, en la evaluación de ciclo de vida del edificio, los impactos se cuantifican en 25752 MJ de energía primaria por año y 1851 kgCO2eq. /año. 4.5. Descripción gráfica de los avances generales En esta sección se destacan los avances descritos en los apartados anteriores para llevar a cabo un estudio de la energía en el ciclo de vida con el objetivo de la toma de decisiones en la fase de diseño de un edificio, adaptando los datos ambientales a la realidad del estudio. En la Fig. 4.6, un fotomontaje muestra las principales características de la investigación, es decir, un estudio de ciclo de vida en edificios enfocando las etapas que acontecen desde la puerta de la fábrica hasta el fin de la etapa de desmontaje del edificio o etapa de trasporte de los mismos hasta planta de reciclaje, en base a la salida del material de la fábrica evaluando sus impactos por año de vida útil del edificio, la simulación del consumo por año y en base horaria, y la mayor o menor contribución de renovables en el mix eléctrico a lo largo del ciclo de vida del edificio. 96 [20] IDAE, Factores de conversión de energía final a energía primaria y factores de emisión, España, 2014. [21] GaBi Software, http://www.gabi-software.com/international/index/, último acceso [20.03.15]. [22] Simapro Software, http://www.pre-sustainability.com/simapro, último acceso [20.03.15]. [23] Ecoinvent, https://ecoquery.ecoinvent.org/File/Reports. 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Se trata de un sistema que aprovecha la técnica del enfriamiento evaporativo que se produce en el estanque norte de la vivienda. Se diseñan dos circuitos de transporte de energía. El primero conecta el estanque con una batería para realizar enfriamiento gratuito en los módulos. Por el segundo circula agua desde una bomba de calor aire-agua hasta un fancoil colocado en serie con la batería de pre-enfriamiento. El objetivo del estudio es establecer la relación entre la disminución del consumo de energía en la etapa de uso con el aumento en energía incorporada. Se definen dos escenarios para realizar la comparación, con la incorporación del circuito del estanque o no. Los resultados reflejan que el circuito de agua del estanque aumenta un 10 % la energía incorporada sobre el total del ciclo de vida y disminuye un 9,5 % el consumo de energía primaria considerando todo el ciclo de vida. 100 5.1. Introducción Solar Decathlon Europe 2012 [1] es una competición internacional universitaria de viviendas autosuficientes energéticamente donde su funcionamiento conlleve el menor consumo de energía posible. La edición del 2012 se desarrolló entre los días 15 y 29 de Septiembre. El proyecto y construcción de Patio 2.12 fue llevado a cabo por investigadores y alumnos (decathletas) de las tres Escuelas de Arquitectura de Andalucía (Sevilla, Granada y Málaga) y de la Escuela Politécnica Superior de Jaén, formando un equipo denominado AndalucíaTeam [2]. La vivienda es una reinterpretación contemporánea de la casa patio tradicional Mediterránea en la que se recogen técnicas de acondicionamiento pasivo como el enfriamiento evaporativo. El sistema de refrigeración ejecutado recupera la técnica del enfriamiento evaporativo realizando enfriamiento gratuito en los módulos con agua procedente del estanque situado al norte de la Casa Patio 2.12. El objetivo es reducir el consumo de energía en la fase de uso de la vivienda a partir de un sistema todo-agua con bomba de calor aire-agua. La energía procedente del estanque se realiza con un sistema a dos tubos con batería de pre-enfriamiento en los módulos. Por tanto, se aumenta la energía incorporada. Sartori y Hestness [3] documentaron que el porcentaje de energía incorporada en los edificios de bajo consumo en su etapa de uso es tres veces mayor que en uno convencional. La energía incorporada en sistemas de refrigeración ha sido evaluada en el ciclo de vida por distintos autores. Así podemos encontrar el estudio realizado por Heikkila [4], 101 donde se evalúa el comportamiento ambiental de dos climatizadoras, una UTA apoyada con una bomba de calor frente a otra con rueda desecante (ver capítulo 4, sección 4.3.1.1). También se puede destacar el estudio en el ciclo de vida realizado por Beccali y otros [5], en el que se evalúa en el ciclo de vida un sistema de refrigeración por absorción. Sin embargo, no existen estudios que evalúen la energía en el ciclo de vida de sistemas de refrigeración diseñados conformes a la idea del proyecto, con elementos existentes en el edificio. Se trata de un sistema de refrigeración con dos fuentes de producción, una bomba de calor y un estanque. El estanque sigue cumpliendo la misión decorativa para el cual fue diseñado y una función secundaria: satisfacer una demanda de refrigeración. Este capítulo desarrolla un análisis de la energía en el ciclo de vida y de las emisiones de efecto invernadero asociadas al sistema de refrigeración diseñado en Patio 2.12. Al mismo tiempo, el sistema se compara con el mismo sistema sin el circuito del estanque. Los parámetros comparados son la relación de la energía incorporada con el total, la relación entre el aumento de energía incorporada y la disminución del consumo en la etapa de uso, considerando igualmente las emisiones que causan el efecto invernadero. 5.2. La Casa Patio 2.12 Patio 2.12 es un prototipo de vivienda modular prefabricada basada en la arquitectura tradicional mediterránea. La vivienda se genera por la colocación de módulos industrializados alrededor de un espacio flexible: el patio, con orientación Norte-Sur. El patio se encuentra cubierto por una pérgola que simula una parra tradicional y permite la regulación de la radiación solar (ver Fig. 5.1). 102 Los nore s de i n part e 5.2. 1 La v dor m man t usos que a s te, la coci n n stalacione s e de la supe r 1 . La simul a v ivienda e s m itorio y c t ener la te m F a lbergan lo n a (12,67 m s al sureste r ficie a aco n a ción de la s tá diseña d c ocina. Si n m peratura d F ig. 5.1. Interi o s cuatro m m 2 ) al noroe s (ver Fig. 5 n dicionar. Fig. 5.2. V demanda d a para res n embargo, d e confort o r del patio y m ódulos del s te, el dorm i 5 .2). Dura n V ista aérea de l s ponder a l durante l en el saló n módulo coci n proyecto s i torio (14,7 n te la com p l a vivienda. l a demand a l a competi c n y el dor m n a. s on el saló 8 m 2 ) al su r p etición la c a de tres c ión única m m itorio. P o ó n (17,60 m r oeste y el c c ocina no f módulos, s m ente se o r tanto, e n Fot. Rafael Assiego de Larriva Fot. Pedro Ugrate m 2 ) al c uarto f ormó s alón, debía n esta inve s Ane x sim u A s u mon i en r a refri g y m ó Fig. Por o cara c Ene r Ade m libre larg o con d real e s tigación s e x o A se d u lación de l a u vez, para i torización a ngo (22 ° C g eración. L ó dulo dorm i 5.3. Monitor i o tra parte, c terístico c r gyplus [6] m ás, se co m con el ni v o de la co d iciones ext e e s para el dí a e define la d d escriben l o a demanda d estimar l a de temper a C - 26 °C), p a Fig. 5.3 m i torio para e i zación de te m en la Fig. 5 c on las te m con un pe r m paran las v el de ocup a mpetición, e riores de t a caracterís d emanda d e o s paráme t d e energía. a demanda a turas del d í p ara ajustar m uestra la e e l día carac t m peraturas. M 5 .4 se com p m peraturas fil de ocup temperatur a a ción máxi es decir, t emperatur a t ico [7]. e energía d e t ros e hip ó del period o í a en que n el modelo a e volución l i t erístico (2 2 M ódulo salón ( c m paran las t e resultante s ación de d o a s monitor i i mo que ex i ocho pers o a y humeda d e los módul o ó tesis que o de refrig e n o era oblig a la temper a bre de tem p 2 de Septie m c urva azul) y m e mperatura s s simulada o s persona s i zadas con i stió duran t o nas (Tem p d introduci d o s salón y d se han in t e ración se a torio man t a tura interi o p eratura en m bre de 201 m ódulo dorm i s monitori z s en evol u s (Temp. Si las simula d t e el horari o p . Simula d d as en la si m d ormitorio. n troducido trabaja de s t ener la vi v o r sin siste m el módulo 1 2). m itorio (curva r z adas para e u ción libr e i mulada E + d as en evol o de visita s d a E+, 8p) m ulación s o 103 En el e n la s de la v ienda m a de saló n r oja). e l día e con + , 2p). u ción s a lo . Las o n las 104 Fig. 5.4. Comparación de temperaturas en módulo salón. Analizando la Fig. 5.4 puede observarse que el diferencial entre temperaturas monitorizadas y resultantes de la simulación con una ocupación de dos personas alcanza un grado en el periodo nocturno, una media de 0,32 °C en la franja desde las 12 hasta las 16 y de 2,8 ºC en la franja de 16 a 20 h. Por un lado, durante la noche, existe una diferencia que entre las seis y las siete de la mañana que supera un grado entre lo medido y lo simulado. Este diferencial se justifica en base a que durante la noche en los días que duró la competición se cerraron todas las entradas de aire de ventilación. Sin embargo, en la simulación se consideró durante la noche el caudal mínimo exigido por la normativa. Por otra parte, el mayor diferencial en las horas de tarde se debe a que esa franja horaria (de 16 a 20 h) coincidió con la ocupación máxima del módulo (8 personas) debido al horario de visitas en la competición (en la figura se corresponde con laserie denominada “Temperatura Simulada E+, 8p”). Esta ocupación máxima no se ha considerado en la simulación para acercar el comportamiento de la vivienda a un uso real. En resumen, en la simulación se considera una ventilación y un régimen de ocupación constante. Por lo tanto, el modelo base que se utiliza para establecer las demandas de todo el periodo es el que modela la serie llamada “Temp. Simulada E+, 2p”. 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 0123456789101112131415161718192021222324 Temperatura °C Horas Temp. Monitorizada Temp. simulada E+, 2p Temp. simulada E+, 8p 105 La validación del modelo para el periodo de refrigeración desde un único día característico se justifica en el avance que supone la ejecución de la vivienda y tener datos reales de su comportamiento térmico. Posteriores investigaciones, facilitadas por la actual ubicación de la vivienda en el Campus de la Universidad de Málaga posibilitarán ajustar mucho más el modelo y extenderlo también al periodo de calefacción. Para determinar la demanda de todo el periodo de refrigeración, se copia el perfil de demanda considerando las condiciones exteriores de temperatura y humedad reales en dicho periodo, que fue del 9 de Mayo al 22 de Septiembre del año 2012 en Madrid [7]. Finalmente se determina la demanda para el periodo de refrigeración en 559 kWh (17,26 kWh/m2). 5.3. Las estrategias de diseño del sistema de refrigeración En la fase de proyecto de la Casa Patio 2.12 se discutió sobre la viabilidad técnica de aprovechar el enfriamiento evaporativo que se produce en los estanques. Se analiza la un sistema a cuatro tubos que permite realizar enfriamiento gratuito en los módulos acondicionados. A su vez se plantea la necesidad de conocer el aumento de la energía incorporada respecto al mismo sistema sin el circuito de agua del estanque, es decir, un sistema a dos tubos. 5.3.1. El sistema de refrigeración a dos tubos El sistema de refrigeración a dos tubos transporta la energía desde la bomba de calor hasta el fancoil situado en el módulo acondicionado. En la Fig. 5.5 se muestra como la bomba de calor se diseña en el módulo técnico de la vivienda y un circuito de ida y retorno transporta la energía hasta el intercambiador agua-aire del fancoil. 112 De la misma manera la unidad funcional se define como el sistema de refrigeración evaluado en todas las etapas del ciclo de vida que responde a la función de satisfacer una demanda de refrigeración de 559 kWh/año durante veinticinco años. 5.4.1.2. Los escenarios evaluados en el ACV La variación en la configuración del sistema de refrigeración es lo que se denominan escenarios. Por ello se evalúan en esta investigación dos escenarios, en función del diseño o no del circuito del estanque. Los escenarios son: El escenario 1 (Esc1) se define por una bomba de calor aireagua conectada a red, donde el transporte de energía se realiza mediante un sistema a dos tubos hasta los fancoils situados en los módulos acondicionados. El escenario 2 (Esc2) se corresponde con el sistema de refrigeración ejecutado en la Casa Patio 2.12. Un sistema compuesto de dos fuentes de producción, distribución a cuatro tubos y emisión en los fancoils mediante una batería de pre-enfriamiento conectada al circuito del estanque. Igualmente se encuentra conectado a red. En la Tabla 5.1 se describen los principales elementos que configuran cada escenario evaluado. Tabla 5.1. Elementos que configuran cada escenario. Esc1 (BdC) Esc2 (BdC+estanque) Fuente de producción Bomba de calor Bomba de calor Estanque Transporte de energía 2 tubos 4 tubos Emisión en los módulos Fancoil Fancoil Batería de pre-enfriamiento BdC, Bomba de calor 113 Finalmente, en la Tabla 5.2 se recogen las demandas anuales cubiertas por cada fuente de producción en cada escenario. Tabla 5.2. Demanda anual cubierta por cada fuente de producción en cada escenario Esc1 (BdC) Esc2 (BdC +estanque) Demanda cubierta por la bomba de calor (kWh) 559 419 Demanda cubierta por estanque (kWh) 139 BdC, Bomba de calor 5.4.2. Análisis de inventario en el ciclo de vida La fase de inventario en el ciclo de vida recoge todos las entradas, de masa y energía, y salidas, emisiones, definidas en los diferentes escenarios bajo la misma unidad funcional. Como consecuencia de los avances descritos en esta Tesis, se destaca, en esta etapa, la descripción técnica de los materiales utilizados, mientras que el inventario de emisiones se simplifica entrando con datos ambientales procedentes de declaraciones ambientales, bases de datos o de la literatura. 5.4.2.1. La etapa de producción El inventario de la etapa de producción de los elementos y componentes que conforman la instalación se realiza conforme a las diferentes partes del sistema de refrigeración. Se dejan fuera del inventario los elementos de la cocina, ya que no fue un espacio acondicionado. Se destaca que la diferencia entre el Esc1 y Esc2 es la incorporación del circuito del estanque correspondiente al circuito de pre-enfriamiento. La Tabla 5.3 muestra la medición desglosada por fuentes de producción de energía, componentes del sistema de transporte de energía y de la emisión en los módulos. Por otra parte, el transporte de los elementos y componentes del sistema de refrigeración se considera en dos etapas. La primera de ellas consiste en el transporte desde la planta de Montilla hasta el lugar de ensamblado y construcción en San José de La Rinconada, 114 Sevilla (140 km). La segunda etapa consiste en su posterior traslado a Madrid (535 km). El transporte del sistema de refrigeración desde San José de la Rinconada hasta Madrid se hace de manera conjunta con los módulos. Para independizar el impacto del sistema se considera como hipótesis que todos los elementos del sistema de refrigeración a cuatro tubos son transportados por tierra mediante un camión de 6-12 t una distancia media de 675 km. Ambas distancias son recorridas en trayecto de ida y vuelta por el camión. Tabla 5.3. Inventario de materiales del sistema de refrigeración Subsistema Elementos Características Medición 1.Fuentes de producción Bomba de Calor Aqualis 35H CIAT Potencia nominal 2,3 kW 1 unidad Estanque Acero, espesor 10 mm 7850 kg/m3 1610,04 kg 2.Transporte de energía Circuito Bomba de Calor (ida y retorno) Tubería cobre Ø 35 30,97 m Tubería cobre Ø 22 18,44 m Aislamiento e=25 mm Armaflex d= 72 kg/m3 106,91 kg Bomba de circulación UPS25-40130 1 unidad Válvulas* 15 unidades Filtro de malla 1 unidad Circuito Estanque (ida y retorno) Tubería cobre Ø 28 32,12 m Tubería cobre Ø 22 18,44 m Aislamiento e=25 mm Armaflex d= 72 kg/m3 109,01kg Bomba de circulación UPS25-40130 2 unidades Intercambiador SWEP 1 unidad Válvulas* 9 unidades Vaso de expansión 5 l 1 unidad 3.Emisión en los módulos Circuito Bomba de Calor Fan coil, Major Line CIAT Potencia 1,8 kW a 3,3 kW 2 unidades Circuito Estanque Batería de pre-enfriamiento BSC 205 Potencia 500 W Superficie de intercambio 5,63 m2 2 unidades Filtro F2/G4 2 unidades * En el presente estudio todas las válvulas se han igualado a una válvula de bola para Ø35mm. 115 Además, las bombas, las válvulas y los accesorios serán sustituidos dos veces, debido a que su vida útil, ocho años, es menor a la vida útil de la vivienda (25 años). Por tanto, las entradas en la etapa de uso deberán contemplar el mantenimiento de la instalación. En la Tabla 5.4 se muestra los pesos totales de los materiales de la instalación en los distintos escenarios evaluados para la evaluación posterior de los impactos debidos al transporte. Tabla 5.4. Pesos considerados en cada escenario Esc1 (BdC) Esc2 (BdC + estanque) 1.Fuentes de producción Bomba de calor 147 kg/unidad 147 kg/unidad 2.Transporte de energía Tuberías 39,12 kg 77,58 kg Aislamiento 88,20 kg 178,49 kg Bombas 42 kg/ unidad 42 kg/ unidad Válvulas y filtros 4 kg/ unidad 4 kg/ unidad Intercambiador 17,67 kg/unidad 3.Emisión en los módulos Fancoils 23 kg/ ud 23 kg/ unidad Batería de pre-enfriamiento 11,1 kg/ unidad Total 426,32 kg 676,73 kg BdC, Bomba de calor 5.4.2.2. La etapa de uso Los consumos de energía eléctrica del sistema de refrigeración fueron estimados a partir del consumo de la bomba de calor, de la bomba de circulación del agua en el circuito del estanque y de los fancoils. En concreto para la bomba de calor se calcularon en función de la temperatura del aire exterior en los días de la competición [7] y de la temperatura de salida del agua de la bomba de calor utilizada (7°C) (ver Tabla 5.5). 116 Tabla 5.5. Funcionamiento de la bomba de calor en refrigeración, EER, Aqualis 2 35H. Temperatura de aire exterior Temp. salida agua 20 ºC 25 ºC 30 ºC 35 ºC 40 ºC 43 ºC EER (pot. nom.) EER (pot. nom.) EER (pot. nom.) EER (pot. nom.) EER (pot. nom.) EER (pot. nom.) 5ºC 4,2 3,7 3,3 2,8 2,5 2,2 7 ºC 4,5 4,0 3,4 3,0 2,6 2,4 10 ºC 4,8 4,2 3,7 3,2 2,8 2,5 15 ºC 5,4 4,8 4,1 3,6 3,1 2,8 18 ºC 5,9 5,1 4,5 3,8 3,3 3,0 20 ºC 6,2 5,4 4,6 4,1 3,5 3,1 Finalmente, en la Tabla 5.6 se describen los consumos en cada escenario, evaluados bajo la misma unidad funcional, utilizando el software EnergyPlus. Tabla 5.6. Consumos eléctricos anuales (kWh) Esc1 (BdC) Esc2 (BdC + estanque) Bomba circuito BdC 176,95 132,71 Bomba circuito estanque 44,23 Bomba de Calor 193 144,56 Ventilador fancoils 106,60 106,60 Total consumo refrigeración (kWh) 530,55 428,10 BdC, Bomba de Calor 5.4.2.3. La etapa de fin de vida La etapa de fin de vida tendrá lugar dentro de veinticinco años. La etapa de fin de vida comprende el desmontaje y derribo. En este investigación, esta etapa se evalúa junto a la etapa de construcción, cuantificada por Coelho y otros [12] en un 5% en el total del ciclo de vida. 5.4.3. Evaluación de impacto en el ciclo de vida La fase de evaluación de impacto ambiental en el ciclo de vida permite la descripción de las consecuencias potenciales de las entradas y salidas cuantificadas en el análisis de inventario en términos de efectos adversos sobre el medio ambiente. Sin embargo, en este caso de estudio, el inventario de emisiones se sustituye por la información 117 ambiental de cada producto, del transporte y de la energía necesaria para el funcionamiento del edificio. La fase de evaluación de impacto incorpora una descripción de la información ambiental de los materiales inventariados, del medio de transporte y de la energía consumida. 5.4.3.1. La calidad de los datos Un estudio de ciclo de vida tiene que ser transparente en relación a los datos ambientales utilizados en el mismo. En este trabajo se facilita la referencia de los datos, así como se destaca la validez de los mismos. El mejor proceso es aquel proporcionado por el fabricante. En nuestro caso de estudio esto ocurre con la información ambiental para la Bomba de Calor Aire-Agua de 8,5 kW y los fancoils. Esta información representa un avance en la investigación ya que bases de datos como Ecoinvent [13] proporciona información para una bomba de calor aire agua de 10 kW a partir de una bomba de calor salmuera-agua de 10 kW; igualmente ocurre con los fancoils, que no están inventariados. Cuando no se dispone de datos del fabricante se investiga en diferentes bases de datos, declaraciones ambientales de producto y artículos de investigación. Siguiendo el esquema de las distintas partes del sistema de refrigeración, la Tabla 5.7 recoge la referencia de los procesos seleccionados así como la validez de los mismos. El estudio se realiza en el año 2013. Hay muchos datos de los que se desconoce su validez o ya ha concluido. En la presente investigación se considera que la tecnología y la composición del mix eléctrico no han cambiado. 118 Conocidos los procesos materiales se determina los procesos energéticos, del consumo. Para la conversión del consumo de energía final en el punto de usuario a consumo de energía primaria y emisiones se toman los factores provisionales de conversión publicados por IDAE para el año 2010 [20], en concreto 2,21 MWhp/MWhf y 0,27 tCO2eq/MWh respectivamente. Tabla 5.7. Datos ambientales de referencia por elemento inventariado 1. Fuentes de producción Unidad de referencia GER (MJ) GWP (kgCO2eq.) Validez de los datos Bomba de Calor [14] 1 ud 13200 878 Desde 2012 Estanque [15] 1kg 12,35 0,8 Hasta 10/2013 2.Transporte de energía Cobre Ø 15 mm, e 1mm [16] 0,39 kg/m 12,6 0,81 Desde 2005 Aislamiento [17] 1kg 31,6 2,4 Desde 2002 Válvulas de bola 1 ¼” [18] 1unidad 47,95 4,75 Hasta 2013 Bomba de circulación [5] 3unidades 365 22 Desconocido Depósito de inercia 50 l [19] 1unidad 575,93 41,85 Desconocido Vaso de expansión 5 l[19] 1unidad 155,5 11,3 Desconocido Intercambiador [18] 17,67 kg/unidad 1457,46 80,06 Hasta 2013 Filtro [18] 6 kg/unidad 226,85 21,52 Hasta 2013 3. Emisión en los módulos Batería de freecooling * 11,1 kg/unidad 5,64 63,10 Desconocido Fan coil [14] 1 unidad 1678 878 Desde 2012 *El proceso de la batería se calcula a partir del peso de sus componentes, cobre (1,1 kg) y aluminio (10 kg). Para la cuantificación del aluminio se considera una proporción de 35% virgen y el 65% reciclado [19]. Finalmente se consideran los inputs energéticos debidos al transporte de los componentes del sistema de refrigeración en un camión de 16-32 t, con unos impactos asociados como resultado de trasportar 1t un km de 5,10 MJ de energía incorporada y 0,16 kgCO2eq. de gases de efecto invernadero [13]. 5.4.3.2. La cuantificación de los impactos Una vez conocida la información ambiental de referencia se ajusta a los materiales inventariados. En concreto, para la fase de producción y mantenimiento se desagrega el impacto de cada elemento en veinticinco años. 119 La evaluación de impacto de los distintos escenarios se ha llevado a cabo bajo una aproximación atribucional al ciclo de vida porque se realizaba un estudio para un momento concreto, la competición Solar Decathlon. Las categorías de impacto evaluadas fueron el consumo de energía primaria (GER) y el potencial de calentamiento global (GWP). La Tabla 5.8 describe los resultados de la evaluación de impacto de ciclo de vida para los dos escenarios evaluados. Se destaca que los impactos asociados al estanque forman parte de otro sistema del edificio cuya función es la estética. El consumo de energía en el ciclo de vida y de las emisiones de efecto invernadero del estanque se cuantifica en 795,36 MJ/año y 51,52 kgCO2eq./año . Tabla 5.8. Evaluación de impacto de los escenarios Esc1, Esc2. Esc1 (BdC) Esc2 (BdC + estanque) GER (MJ/año).UF GWP (kgCO2eq./año).UF GER (MJ/año). UF GWP (kgCO2eq./año). UF 1. Etapa de producción Circuito BdC a Fancoil 903,92 65,04 903,92 76,29 Circuito estanque 304,52 20,61 Transporte 58,70 1,85 105,03 3,24 Total etapa de producción 962,63 66,88 1267,23 86,72 2. Fase de uso Circuito BdC a Fancoil 4221,05 143,24 3054,06 103,65 Circuito estanque 351,89 11,95 Mantenimiento Bombas,Filtros,Válvulas 157,33 13,77 244,93 13,77 Total etapa de uso 4378,38 157,01 3650,88 138,16 3. Fase de construcción y fin de vida 281,11 11,78 254,24 11,37 Total fase de construcción y f in d e vida 281,11 11,78 254,24 11,37 TOTAL 5622,11 235,68 5084,75 227,46 BdC, Bomba de Calor 120 5.4.4. Conclusiones Se destaca que los resultados de la evaluación ambiental se corresponden con zonas climáticas con unas características similares a Madrid. El Esc2 formado por el circuito de la bomba de calor y el circuito del estanque consume menos energía primaria en el ciclo de vida que si se instalase únicamente un sistema con una bomba de calor. En concreto supone una reducción de 537,36 MJ/año. UF y de 8,21 kgCO2eq./año.UF; lo que representa una reducción anual del 9,5 % y 3,5 % respectivamente. En el Esc1, la energía incorporada en el sistema, debida a la etapa de producción, a la etapa de construcción, mantenimiento y desmontaje representa un 24 % del total de energía consumida en el ciclo de vida, mientras que en el Esc2 el porcentaje aumenta a un 34 %. Sin embargo, en el ciclo de vida, el total de la energía consumida por año en el Esc1 es de 5622,11 MJ y en el Esc2 de 5084,75 MJ, es decir, un aumento del 10% de energía incorporada en el sistema a cuatro tubos representa una disminución en el total del ciclo de vida del 9,5%. Finamente, y según los objetivos del estudio, los resultados de la evaluación de impacto estaban dirigidos al sector de la construcción, en el cual la unidad de referencia es el m2. La superficie acondicionada se corresponde con el módulo salón y el modulo dormitorio. Se cuantifica en 32,38 m2. Por tanto, los impactos evitados por el sistema con el circuito de pre-enfriamiento respecto al sistema compuesto únicamente por la bomba de son de 16,60 MJ/año.UF.m2 y 0,25 kgCO2eq./año.UF.m2. Además, los impactos evitados por el sistema a cuatro tubos por kWh de demanda son de 0,96 MJ/año.UF.kWh y 0,014 kgCO2eq./año.UF.kWh respecto a un diseño únicamente con bomba de calor. 121 Referencias del capítulo 5 [1] Solar Decahtlon Europe, www.sdeurope.org, último acceso [11.11.2014]. [2] Equipo Andalucía Team, www.andaluciateam.org, último acceso [11.11.2014]. [3] I. Sartori, A.G. Hestnes, Energy use in the life cycle of conventional and low energy buildings: a review article, Energy and Buildings 39 (2007) 249–257. [4] K. Heikkilä, Environmental impact assessment using a weighting method for alternative air-conditioning systems, Building and Environment 39 (2004) 11331140. [5] M. Beccali, M. Cellura, S. Longo, B. Nocke, P. Finocchiaro, LCA of a solar heating and cooling system equipped with a small water-ammonia absorption chiller, Solar Energy 86 (2012) 1491-1503. [6] Energy Plus software, http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/, último acceso [25.02.14]. [7] http://www.aemet.es, último acceso [21.11.2014]. [8] S. Alvárez Domínguez, J.M. Cejudo López, J.J. Guerra Camacho, J.L. Molina Félix, E.A. Rodríguez García, R. Velazquez Vila, “Control climático de espacios abiertos. El proyecto Expo´92”. Editorial CIEMAT, Madrid, 1992. [9] Charles C. Smith, George O.G. Löf, Randy W. Jones, “Rates of evaporation from swimming pools in active use”, ASHRAE transactions104 (1A) 514-523, 1999. [10] ISO-14040, Environmental Management –Life Cycle AssessmentPrinciples and Framework, 2006. 128 6.3.1. Descripción del sistema solo solar En la Fig. 6.3, se muestra el esquema de principio del sistema sólo solar. Este sistema resulta de la aplicación de la Directiva Europea 2010/31/EU, concretada en España en el Código Técnico de la Edificación (CTE). Se trata de un sistema con acumulación centralizada. Los depósitos de acumulación no reciben agua de la red de abastecimiento. El agua caliente se distribuye desde los depósitos a cada vivienda en un circuito cerrado de ida y retorno. Cada vivienda se equipa con una estación de transferencia a la que le llega agua fría de la red. Un sistema de apoyo, es este caso, el calentador de gas butano existente en las viviendas, se instala en serie después de cada intercambiador. Fig. 6.3. Esquema de principio del sistema solo solar [Elaboración propia]. Espacio bajo forjado sanitario (FS) Planta tipo - Vivienda tipo (PT) Planta baja (PB) Cubierta (C) 1. Batería de contadores de agua fría; 2. Contador individual; 3. Llave de acceso de usuario; 4. Calentador individual; 5. Captador solar gran formato; 6. Intercambiador de calor; 7. Depósitos de acumulación centralizada; 8. Estación individual de transferencia. 4 5 7 6 1 2 3 8 129 6.3.2. Descripción del sistema híbrido El sistema híbrido de agua caliente sanitaria consiste en una solución alternativa al sistema solo solar, basada en el CTE (DB HE4, artículo 2.2.1) con el objetivo de disminuir prácticamente a cero el aporte del sistema auxiliar. En la Fig. 6.4 se muestra el esquema de principio del sistema híbrido. Por un lado un sistema de captación solar térmica y del otro el motor de microcogenación. El campo de captación es el encargado de precalentar el agua, mientras que el motor de microcogeneración satisface el resto de la demanda. El resto de la instalación no cambia respecto al sistema solo solar, una estación de transferencia por vivienda y el calentador auxiliar. Por otro parte, la producción de electricidad en el motor se utiliza para dar respuesta a la demanda de iluminación de las zonas comunes del edificio. Fig. 6.4. Esquema de principio del sistema híbrido [Elaboración propia]. FS C 4 10 5 7 6 89 1 11 2 3 12 1. Batería de contadores de agua fría; 2. Contador individual; 3. Llave de acceso de usuario; 4. Caldera individual; 5. Captador solar gran formato ; 6. Intercambiador de calor; 7. Depósitos de acumulación centralizada; 8. Depósito del motor; 9. Motor de microcogeneración; 10. Estación de transferencia; 11. Cuarto de contadores de electricidad; 12. Circuito de alumbrado con conexión a red; 13. Regulador electrónico de corriente; 14. Curcuito de alumbrado con conexión a motor o red. 13 14 PT PB 130 6.3. 2 Dos kW e capt a Ade m La e n uno. 2 .1. Las fu e son las fu e de gas na t a dores sola r Fi g m ás, la ene r n ergía gen e Todos los d e ntes de pr o e ntes de pr o t ural, instal r es térmico s g . 6.5. Imagen r gía produ c e rada en los d epósitos s e Fig. 6. o ducción o ducción d i ado b ajo e l s de 250 m 2 del motor de c ida por el m captadores e diseñan i g 6. Imagen de l iseñadas, u l forjado s a en cubiert a microcogene r m otor se al o solares se a g ualmente b l campo de c a u n moto r d e a nitario (v e a (ver Fig. 6 r ación b ajo el o ja en un d a cumula en ajo el forja d a ptadores en c u e microcog e e r Fig. 6.5) .6). forjado sanit a d epósito de 6 depósito s d o sanitario u bierta. e neración d y un cam p a rio. agua de 25 s de 2500 L o . Fot. Rafael Assiego de Larriva Fot. Rafael Assiego de Larriva d e 5,5 p o de 00 L. L cada 6.3. 2 El si los c del m mot o La d el fo en u n Nor e 6.3. 2 La e n en u n 2 .2. El siste m stema de tr a c aptadores s m otor, baj o o r. Y final m istribución rjado sanit a n circuito d e ste del edi f 2 .3. La tra n n ergía pro c n a estación m a de tra n a nsporte se s olares has t o el forjad o m ente, desd e de energía a rio hasta l a d e ida y ret o f icio, integr a F i n sferencia d c edente del de transfer e n sporte divide en t t a los depó s o sanitario. e el depósit o a las vivie n a estación d o rno ejecut a do, partic u i g. 6.7. El sis t d e ener g ía e depósito d e e ncia de 35 t res partes. P s itos de ac u Segundo, o del motor n das se est a d e transfer e t ado en los u larmente, e t ema de trans p e n las vivi e e l motor se kW. En el l P rimero, el u mulación y desde el m a cada vivi e a blece desd e e ncia indivi patios de l o e n un mural p orte de ener g e ndas cede indi v l a, se produ c transporte d y después h m otor hasta e nda. e el depósit o d ual por vi v o s lavader o (ver Fig. 6 . g ía. idualmente c e la cesió n Fot. Rafael Assiego de Larriva de energía d h asta el de p el depósi t t o del moto r vienda. Co n o s y en el t e .7). a cada vi v n de calor a l 131 d esde p ósito t o del r bajo n siste e stero v ienda l agua 132 de l a el ca Con indi v agu a 6.4. L ilu m El m inst a soft w mod e mod e a red gener a lor, si fuer a la incorp o v idual del c o a caliente sa n L a simula c m inación de m odelado d a lación híb r w are TRN S e lado d e l a e los para a l (ver Fig. a necesario, o ración de o nsumo de n itaria. Fig c ión de la i n las zonas c d e la contr i r ida, así c o S YS [10]. a instalaci ó diferentes 6.8). El ca l para obten e la estació n agua fría d . 6.8. La esta c n stalación d c omunes d e i bución de o mo los di f Este pro g ó n. Igualm e componen t l entado r in d e r la tempe r n de trans fe d e la red, a p c ión de transf e d e ACS y d e l edificio. cada fue n f erentes co g rama apo r e nte perm i t es llamad o d ividual exi r atura final fe rencia se rovechand o e rencia indivi d d efinición d n te de ener nsumos, s e r ta la flex i i te al usua r o s Types. stente en l a d e consum o consigue u o un sistem a d ual. d el consum o g ía a los e e ha realiz a i bilidad re q r io la cre a En este e Fot. Rafael Assiego de Larriva a vivienda a o . u na contab i a centraliz a o eléctrico e lementos a do media n q uerida p a a ción de n u e studio, s e a porta i lidad do de para de la n te el a ra el u evos e han 133 desarrollado tres nuevos modelos, que coinciden con la estación de transferencia, el motor y el sistema de control. Además del sistema híbrido se simuló el sistema solo solar y la instalación actual. En el Anexo B se describen los modelos que se han utilizado para los componentes del sistema y determinar la demanda. La demanda térmica de agua caliente sanitaria del edificio en 233,85 MWh/año. Finalmente, el consumo de electricidad para iluminación de las zonas comunes fue monitorizado durante el año 2012 y cuantificado en 28,35 MWh/año. 6.5. Análisis de la energía en el ciclo de vida En esta investigación se realiza el análisis de la energía conforme a lo establecido en los capítulos 3 y 4 de esta Tesis. 6.5.1. Objetivo y alcance del estudio De un lado se trata en esta investigación de aportar, al equipo de diseño de la instalación, la información necesaria para proyectar una instalación que además de ser eficiente, en el momento de la realización del proyecto, sea eficiente en el ciclo de vida. Para ello se compara el sistema híbrido descrito anteriormente con la instalación existente y la que requeriría la aplicación en España de la Directiva Europea, denominada Código Técnico de la Edificación (CTE). Por otra parte, en esta fase debe definirse el alcance del sistema que se va a estudiar. En esta investigación, realizada en 2013, se establece en la vida útil restante del edificio. El edificio se construyó en 1983 y la vida útil de cálculo fue de cincuenta años. Por tanto, el alcance se define en veinte años. A este alcance quedarán referidos todos los elementos de la instalación evaluada. De esta manera se establece el número de sustituciones previstas en la etapa de mantenimiento. 134 Finalmente, en las conclusiones, los resultados de las categorías evaluadas se expresarán en función del público a quién esté dirigido el estudio. En este caso, a profesionales del sector de la construcción. 6.5.1.1. Definición del sistema estudiado El sistema de estudio se define como aquel que es capaz de materializar en el edificio las funciones para las que la instalación ha sido diseñada. En esta investigación está formado por el sistema de agua caliente sanitaria y el sistema de suministro de electricidad para iluminar las zonas comunes del edificio. 6.5.1.2. El sistema del producto y la unidad funcional El sistema del producto se define como el sistema estudiado en el ciclo de vida, es decir, incluye los límites y el alcance que se van a considerar en el estudio. En este caso se evalúan las tres etapas del ciclo de vida del sistema, etapa de producción, uso y mantenimiento, y fin de vida. Además la instalación se diseña para una vida útil de 20 años, que coincide con la vida útil restante del edificio. El rendimiento cuantificado del sistema del producto coherente con los objetivos y alcance del estudio se denomina unidad funcional (UF). En esta investigación se define la unidad funcional como un sistema de agua caliente sanitaria y un sistema de electricidad, que responden a la función de satisfacer una demanda térmica de ACS de 233,85 MWh/año y de electricidad para iluminación de las zonas comunes del edificio de 28,35 MWh/año, evaluados en todas las etapas del ciclo de vida durante veinte años. 135 6.5.1.3. Los escenarios evaluados en el análisis El sistema del edificio estudiado podrá estar compuesto por diferentes elementos. Esta variación en la configuración del sistema es lo que se denominan escenarios. Todos los escenarios deben ser evaluados bajo la misma unidad funcional. En esta investigación las distintas estrategias han sido evaluadas junto a la instalación en su estado actual para determinar si el ahorro en el consumo compensa el aumento de energía incorporada en el nuevo sistema. Los escenarios evaluados son: El escenario 1 (Esc1) se define por el calentador individual de gas que existe por vivienda y por el circuito eléctrico actual que da servicio a la iluminación de las zonas comunes conectado a red. El escenario 2 (Esc2) se corresponde con el diseño del sistema solo solar. Además, para satisfacer la demanda de electricidad para la iluminación de las zonas comunes se considera el mismo circuito del Esc1 conectado a red. El escenario 3 (Esc3) se corresponde con el diseño del sistema híbrido. Además, para satisfacer la demanda de electricidad se utiliza la producción eléctrica del motor de microcogeneración y el resto no cubierto se toma de la red. En la Tabla 6.2 se recogen los porcentajes de contribución de cada fuente de energía a cada escenario de estudio. Tabla 6.2. Porcentaje de contribución de las distintas fuentes de energía a cada escenario Esc1 (actual) Esc2 (solo solar) Esc3 (híbrido) ACS Calentador individual 100 % 22,43 % 5,99% Solar térmica 74,82 % 69,97% Motor de microcogenración 24,37% Iluminación Red 100 % 100 % 6,2% Motor de microcogeneración 93,8% 136 6.5.2 Análisis de inventario en el ciclo de vida El inventario se realiza considerando la etapa de producción, construcción, uso, mantenimiento y fin de vida de los elementos que configuran cada escenario. 6.5.2.1. La etapa de producción y mantenimiento De un lado, en la elaboración del inventario en la etapa de producción se ha distinguido entre las distintas partes del sistema evaluado o subsistemas: fuentes de producción, acumulación y transporte de la energía y finalmente la preparación individual en cada vivienda. De esta manera en el Esc1 ningún equipo es añadido a la instalación actual, en el Esc2 un sistema formado por 250 m2 de captación solar se añade al Esc1, y en el Esc3 un motor de microcogenaración se diseña junto al Esc2. En la Tabla 6.3 se cuantifica el inventario para el Esc2 y el equipamiento adicional necesario que se incorpora al Esc2 para configurar el Esc3, es decir un Esc3-Esc2. Igualmente se informa de la vida útil de cada componente y del peso. Por otra parte, como puede observarse también en la Tabla 6.3, la vida útil de algunos componentes no coincide con la vida útil de diseño de la instalación. De esta manera, en la etapa de mantenimiento, el fluido será sustituido tres veces, el motor de microcogeneración una vez, y las bombas, las válvulas y los accesorios tres veces. Se considera como hipótesis que todos los componentes del sistema son transportados por tierra mediante un camión de 6-12 t una distancia media de 500 km. El camión hace el recorrido de ida y de vuelta. 137 Tabla 6.3. Inventario de materiales para el Esc2 e inventario adicional para configurar el Esc3 Subsistema Esc2 (solo solar) Esc3-Esc2 (hibridosolo solar) Elementos Vida útil (años) Peso etapa producción (kg) Peso etapa mantenimiento (kg) Fuente de producción Captador solar 10,06 m2 24 unidades 25 4032 Fluido 0,68 kg/m2 6,9 kg por panel 5 165,60 496,80 Estructura Soporte 3 unidades por panel 25 276 Motor de microcogenaración 5,5 kWe 1 unidad 12 520 520 Chimenea acero 125/185, Ø 30, 960 mm de longitud 40 unidades 25 211,98 Acumulación y transporte de la energía Disipador de calor 81,3 kW 1 unidad 25 82 Válvula de seguridad 25 unidades 8 37,50 75 Depósito 2500l* 6 unidades 25 2041,08 Depósito 2500l* 1unidad 25 325,04 Vaso de expansión 200 l* 1 unidad 25 41,83 Vaso de expansión 500 l* 1 unidad 25 75,25 Vaso de expansión 500 l* 1 unidad 25 113,27 Bomba IL 10/1600,55/4 1 unidad 8 42 84 Bomba IL 50/260-3/4 1 unidad 8 90 180 Bomba IL-E 40/2007,5/4 2 unidades 8 216 432 Bomba DL 32/1400,25/4 1unidad 8 73 146 Tuberías de cobre Ø varios 586,60 m 25 652,45 Tuberías de acero 2573,23 m 8,50m 25 2896,13/ 6,46 Aislamiento 70 kg/m3 3159,83 m 8,50m 25 3548,58/ 1,41 Valvulería y accesorios 336 unidades 8 1071,91 2143,82 Preparación en las viviendas Estación de transferencia 35 kW 140 unidades 25 1470,00 *Elementos revestidos con 5 cm de aislamiento