Tecnologías en Edificios de Energía de Consumo Casi Nulo

Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Máster Universitario en Eficiencia Energética Tecnologías en Edificios de Energía de Consumo Casi Nulo Autor: Israel Guerra Falcón Tutores Dr. D. Alejandro Ramos Martín Dr. D. Fabián Alberto Déniz Quintana Fecha: Diciembre 2015 1 Agradecimientos Me gustaría agradecer sinceramente a mis tutores del Trabajo Final de Máster, Dr. D. Alejandro Ramos Martín y a Dr. D. Fabián Alberto Déniz Quintana por su esfuerzo, paciencia y motivación han sido fundamentales para para la realización de este proyecto. Este trabajo se lo dedico a mi familia sin su apoyo constante y su orientación la realización del máster y del proyecto habría sido imposible. 2 Resumen El presente trabajo final de máster pretende realizar una revisión bibliográfica para conocer los avances relacionados con las tecnologías en un edificio de consumo de energía casi nulo y el análisis de varias de esas propuestas para comprobar cuáles pueden ser aplicadas a Canarias. Esas medidas son aplicadas a nivel de instalaciones y a nivel arquitectónico. Referente a los sistemas usados para la obtención de edificios de consumo casi nulo, seguiremos la Directiva 2012/27/UE donde se insiste en la necesidad de incrementar la eficiencia energética en la Unión Europea para alcanzar en 2020 el objetivo de ahorrar un 20 % en el consumo de energía en comparación con los valores previstos. También seguiremos la Directiva 2010/31/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios, además del Plan de Acción de Ahorro de Eficiencia Energética 2011-2020 del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, en colaboración con el IDAE. Para ello, se efectúa una fase de investigación en revistas especializadas y otras fuentes que nos darán a conocer la frontera del conocimiento en este campo. Por tanto, permitirá establecer y trazar objetivos secundarios de interés para futuras nuevas líneas de investigación. 3 Abstract In this paper, I and my tutors have sought a historical presentation of the techniques and concepts evolution that lead to energy efficient buildings as we know them today, is presented. An over view of the modern approach for the design of the main elements of such type of buildings is also presented. The Canary Island the dominant climate is dry and humid subtropical, but because of its position in the Atlantic and its terrain there are many microclimates very significant. All along the year solar radiation is plentiful and the daily range of temperature during the summer is large, due to dry and clear conditions. This environment allowed to design and build a zero energy concept building (a detached single family house) on the basis of passive heating and cooling technologies, supported, when required, by short time active conditioning. 4 Índice Capítulo 1 Introducción .......................................................................................................................... 8 Antecedentes históricos ............................................................................................................... 8 Evolución en el siglo XX ....................................................................................................... 10 El camino hacia los edificios de consumo de energía casi nulo .................................................. 11 Objetivos y estructura el trabajo ................................................................................................ 12 Capítulo 2 Los conceptos actuales de diseño para edificios eficientes ................................................ 14 Construcción de baja energía ..................................................................................................... 15 Elementos de diseño y características ................................................................................ 15 Nuevos conceptos, ciclo positivo de energía en los edificios .................................................... 19 Estandarización y normativa ....................................................................................................... 19 Capítulo 3 Plan Estratégico Europeo de Tecnología Energética (SET-Plan). ........................................ 22 Los ZEBs como parte integral de las ciudades inteligentes ........................................................ 22 Prácticas de diseño ambiental y desarrollo ........................................................................ 22 Fuentes de Energía Renovable (RES) .................................................................................. 23 Etiquetado de equipos electromecánicos en los edificios .................................................. 23 Gestión de la Energía Inteligente ........................................................................................ 24 Contribución de los ZEBs en las ciudades inteligentes ............................................................... 25 Consideración basada en la sostenibilidad holística ................................................................... 26 Consideraciones del ciclo de vida ............................................................................................... 26 Construcción de bajo impacto ............................................................................................ 26 Efecto rebote .............................................................................................................................. 26 Capítulo 4 Clasificación consumos ....................................................................................................... 28 Construcción ............................................................................................................................... 28 Elementos críticos de construcción ............................................................................... 28 Las condiciones internas ........................................................................................................... 29 Sistemas de servicios de construcción ........................................................................................ 29 Capítulo 5 Las energías renovables y otras tecnologías ....................................................................... 34 Fotovoltaica (PV) y Fotovoltaica Integrada en el Edificio (BIPV) ......................................... 34 Tecnologías eólicas .......................................................................................................... 35 Solar térmica ....................................................................................................................... 35 Bombas de calor .................................................................................................................. 35 5 Centralización de la calefacción y refrigeración urbana ............................................ 36 Capítulo 6 Consecuencias para el desarrollo sostenible y otros trabajos de investigación .... 38 Coste del ciclo de vida y el medio ambiente ........................................................................ 38 El cambio climático .................................................................................................................. 39 Capítulo 7 Climatología Canarias ...................................................................................................... 42 Inversión térmica ........................................................................................................................ 42 Corrientes marinas ...................................................................................................................... 43 Capítulo 8 Propuesta de edificios de consumo casi nulo en Canarias ................................................ 44 Estrategias pasivas adaptadas el clima de Canarias ................................................................... 44 Usos de la inercia térmica en edificios de baja altura ........................................................ 44 Mejoras para la temporada de enfriamiento ..................................................................... 45 Descripción de la construcción del concepto de edificio de consumo casi nulo ........................ 45 Prototipo de vivienda unifamiliar Passivhaus ...................................................................... 46 Aplicación del Documento Básico HE1 Ahorro de Energía ......................................................... 47 Clasificación de los espacios ............................................................................................... 48 Método de cálculo .............................................................................................................. 49 Cálculo de la transmitancia (U) ........................................................................................... 51 Comprobación de la condensación superficial ................................................................... 53 Comprobación de condensaciones intersticiales ................................................................ 53 Diseño según las condiciones climatologías de Canarias............................................................ 55 Límite inferior de la zona de confort................................................................................... 55 Límite superior de la zona de confort ................................................................................. 55 Influencia de la velocidad del viento en el confort ............................................................. 56 Cartas de radiación solar ..................................................................................................... 56 Orientación óptima para Canarias ...................................................................................... 57 Necesidades de captación o protección solar ............................................................................ 58 Captación solar .................................................................................................................... 58 Protección solar .................................................................................................................. 59 Capítulo 9 Climatología Las Palmas de Gran Canaria y soluciones ...................................................... 60 Condiciones de confort en el interior ......................................................................................... 60 Monitorización de la vivienda unifamiliar: ................................................................................. 60 Ejemplo de casa bioclimática en Canarias .......................................................................... 61 Capítulo 10 Conclusiones y líneas futuras ......................................................................................... 64 6 Capítulo 11 Referencias Bibliográficas ................................................................................................... 66 7 8 Introducción En este trabajo vamos a dar a conocer qué es un edificio de consumo casi nulo, realizando una revisión bibliográfica de las tecnologías existentes para diseñar edificios de consumo de energía casi nulo, además como objetivo secundario se establecerán criterios para su posible aplicación a Canarias. Se harán referencias a la directiva 2012/27/UE del Parlamento Europeo que tiene como finalidad alcanzar el objetivo de aumentar la eficiencia energética de la Unión Europea en un 20% para 2020 y preparar el camino hacia las mejoras de eficiencia. También habrán referencias a la a Directiva Europea 2010/31/UE, donde se introduce la definición de edificio de consumo de energía casi nulo, y se plantea como un edificio altamente eficiente desde el punto de vista energético, donde la casi nula o muy baja energía demandada, procederá de fuentes renovables, producidas in situ o en el entorno. Se establece, por otro lado, que a partir del 31 de diciembre de 2020 todos los edificios de nueva construcción sean edificios de consumo de energía casi nulo, adelantando esta obligación a 31 de diciembre de 2018 a todos los edificios ocupados por las administraciones y de titularidad pública. Antecedentes históricos Hoy en día, en Europa, el sector de la construcción es responsable de cerca del 40% del consumo total de energía primaria [1] y hay un potencial significativo en la reducción del consumo de energía. En este sentido, los análisis y las intervenciones son de gran actualidad y están relacionadas con el ahorro de energía al tiempo que garantizan las condiciones de confort adecuadas. Esto se conoce como la eficiencia energética de un edificio. Con esto se logran varios objetivos importantes del desarrollo sostenible, la reducción de la demanda de energía, y la reducción de las emisiones al medio ambiente. Con el fin de desarrollar nuevas tecnologías y estrategias para mejorar la eficiencia energética de los edificios es importante conocer la evolución de estos a lo largo de la historia y los problemas con los que se han encontrado a lo largo del tiempo. Ya que sin entender la evolución de los consumos de energía de los edificios eficientes, los nuevos conceptos y las nuevas soluciones para reducir el consumo de energía en este sector van a ser difíciles de imaginar. La eficiencia energética de un edificio se relaciona principalmente con dos componentes: propiedades pasivas dadas por el aislamiento térmico, la radiación solar capturada, ventilación natural, el sombreado; y propiedades activas dadas por el equipo de captura, conversión y utilización de la energía (energía renovable). En este sentido, se deben explicar las tendencias de diseño utilizadas, su utilidad y la comodidad tanto como el costo para las personas que se benefician de ella. Desde la antigüedad, el hombre ha encontrado la manera de utilizar diferentes estrategias para mejorar las condiciones de vida de las viviendas, entre las que se puede enumerar, entre otras: los mecanismos naturales, las técnicas de construcción, etc... Se encontró que en 5500 AC en la región de los Cárpatos [2], se utilizaba una solución arquitectónica en la que las casas se construían parcialmente enterradas, obteniendo de esta manera una temperatura interior más estable. Los beneficios de las propiedades térmicas de la tierra también se utilizaron más tarde en las casas de los Capadocios, comunidades Esenios de Oriente Medio y los nativos americanos. 15 Construcción de baja energía La "construcción de baja energía" por lo general se caracteriza por un alto nivel de aislamiento, ventanas de alta eficiencia energética y un bajo nivel de fugas de aire. Una construcción de este tipo tiene a menudo un sistema de ventilación mecánica. No existe una definición global de estos edificios unánimemente aceptada en todo el mundo. La definición más general dice que un edificio de baja energía es una construcción con un rendimiento energético más alto que la eficiencia de un edificio estándar. Para el caso de un "Edificio Ultra Baja Energía " la incorporación de sistemas de energía renovable podría traer la condición de "Nearly-Zero Energy" o incluso "Net-Zero-Energy" / "Plus-Energy" La casa pasiva reduce el consumo de energía para calefacción / refrigeración y emisiones de CO2 por un factor de 10 en comparación con un antiguo edificio [18]. En comparación con las casas construidas de acuerdo a las normas vigentes, el factor de reducción de energía es de aproximadamente entre el 2 y el 4. La casa pasiva es un estándar muy popular no sólo en la zona residencial, sino también en el sector terciario. La norma se puede aplicar a los edificios públicos, comerciales e incluso edificios industriales [19]. Según las actualizaciones del DB HE 2013 se incluirán una exigencia limitadora del consumo de energía primaria no renovable en el caso de edificios nuevos y ampliaciones, incluyendo un indicador numérico de uso de energía primaria expresado en kWh/m2 al año. Otra novedad importante del DB HE 2013 es el tratamiento específico de las intervenciones en edificios existentes, para las que se incluyen exigencias concretas en la Sección HE 1. Las exigencias aplicables a las intervenciones en edificios existentes dependen del alcance de la intervención. Elementos de diseño y características En este apartado trabajaremos sobre conceptos modernos de diseño para edificios energéticamente eficientes como son el propio diseño, el posicionamiento, la orientación y la geometría, el sombrado, las características de las paredes, la protección contra la humedad, las fuentes de calor internas, las ventanas, el recuperador de calor en los sistemas de ventilación, la comodidad, la carga de energía y los aspectos económicos. Diseño - Tiene que ser equilibrado y tener en cuenta lo máximo posible los detalles de los fenómenos térmicos y ganancias de calor internas. Por ejemplo, el calor producido por el metabolismo de las personas, es un factor importante que debemos tener en cuenta. - Los algoritmos de diseño deben tomar en cuenta el mayor número posible de parámetros para tener una mayor garantía de lograr las condiciones definidas. - La vivienda debe implementar un sistema de monitorización, este debe tener un alto grado de precisión de todos los procesos en el tiempo. - Una vivienda de consumo de energía casi nulo requerirá un sistema de medición para monitorizar y administrar la energía intercambiada entre la energía generada por la vivienda y la red de distribución. 16 Posicionamiento - Baja exposición a los vientos del invierno y un lugar ventilador en verano - Una cortina de árboles a una distancia aceptable (que no produce efecto significativo de sombreado) puede ser útil en la limitación de la velocidad del viento en invierno y por lo tanto disminuye la pérdida de calor. - La integración del edificio en el paisaje es uno de los deseos de los edificios sostenibles. Orientación y geometría - Orientación solar y el sombreado deben maximizar la ganancia de calor solar en invierno y minimizarlo en el verano [18]. - En la geometría de la casa debe establecer un coeficiente de compacidad (relación entre el área de la envolvente y el volumen del edificio) lo más pequeña posible y menor de 1. Sombreado - Los balcones, aleros, persianas venecianas, espalderas, las cubiertas, los árboles, estos son algunos ejemplos de objetos de sombreado pasivos. Los protectores solares activos representan también una solución eficiente para grandes edificios que tienen grandes áreas de acristalamiento, con el beneficio de la radiación térmica solar y el control de la iluminación. - Uso de las sombras naturales (árboles, vegetación) con el fin de reducir la radiación solar del verano. - Las superficies reflectantes o áreas verdes (vegetación) reducen la ganancia solar en verano. - Árboles que den sombra a las ventanas y / o paredes para los momentos críticos de la temporada y de la jornada [18]. Características de las paredes - Para el espesor del aislamiento hay un punto en el que se ofrece la máxima eficiencia, la superación de este umbral provoca un exceso de inversión. - Para la situación anterior, se recomienda una evaluación sobre si la adición de paneles fotovoltaicos para comprobar si podría ser más rentable que aumentar aún más el espesor del aislamiento. - Se requiere que la cubierta del edificio sea altamente aislada, tener una baja permeabilidad del aire y no tener puentes térmicos. - El aislamiento térmico reduce la interacción térmica del edificio con el exterior, minimizando así la variación de la amplitud de la temperatura del aire interior. - Con el fin de comprobar los valores del coeficiente lineal de la pérdida de calor por puente térmico (debería ser inferior a 0,01 W / m / K), se realizara un análisis por elemento finito que deberá llevarse a cabo durante el diseño de la envolvente del edificio. - Las superficies interiores deben tener temperaturas superiores a las temperaturas de rocío correspondientes a la zona climática, para con ello evitar la acumulación de humedades en las mismas [20]. 17 - Una capa de barrera radiante (se llama así a aquellos conjuntos que inhiben la transferencia de calor mediante radiación térmica) instalado bajo el techo evita que más de 95% de la radiación solar. - La adopción de un diseño adecuado sobre las conexiones entre sus elementos deberá limitar los puentes térmicos con el fin de evitar la condensación y las pérdidas de calor locales. - Se suele aplicar la estrategia de usar materiales los más naturales posible (con un bajo grado de elaboración y contenido químico), para la disminución de la huella ecológica... - El uso de paredes con amplia inercia térmica que absorba la radiación solar y estabilice la temperatura interior cuando sea necesario. Protección contra la humedad - Los materiales utilizados en la construcción de la envolvente deben limitar la penetración de vapor de agua a través de los materiales en un lado y permitir el secado de los mismos por el otro lado. - El uso de barrera de vapor o retardador de la difusión del vapor en un material reduce la velocidad de transmisión de los vapores, evita condensaciones intersticiales y mejora el control de la humedad de la envolvente térmica. - La ventilación natural de la fachada evacua la humedad de la envoltura, podemos encontrar más información referente a este tema en el DB HS Salubridad, en la sección HS1 Protección frente a la humedad. Fuentes de calor internas, ocupación - En el proceso de diseño, todas las fuentes de calor internas deben ser consideradas (electrodomésticos, iluminación, personas, etc.) Ventanas - Según nuestro paralelo debemos maximizar la superficie de las ventanas en la zona sur,y reducir al mínimo de la superficie de las ventanas en la zona norte. - El uso de ventanas de cristal triple con doble acristalamiento de baja emisividad disminuye considerablemente la transmitancia térmica, y además disminuye las perdidas por radiación térmica emitidas hacia el exterior en la ventana. - El espacio entre las capas de vidrio debe estar compuesto de gases como el argón, kriptón o mezcla para reducir la transferencia de calor por convección (la convección se caracteriza porque se produce por medio de un fluido(líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas). Recuperación de calor en los sistemas de ventilación - Las rutas de los conductos del sistema de ventilación de aire por lo general están incrustados en techo y las paredes y esto da un beneficio de interacción con su masa térmica. Mediante la colocación de los tubos en las paredes, se guarda el espacio y la estética de la habitación no se ve afectada. 18 Comodidad - Debe de ser considerado un flujo de aire de 20-30 m3/ h por persona [21]. Este apartado debe ser ampliado con el HS 3 Calidad del aire interior, contenido dentro del Documento Básico de Salubridad. - Se debe usar una unidad de recuperación de calor con una eficiencia térmica de al menos el 75% [22]. - Cuando se prefiera la ventilación natural en lugar de una mecánica, es importante comprobar si se produce efecto chimenea significativo que pueda proporcionar el mínimo necesario de intercambio de aire por hora. - La ventilación natural mejora la eficiencia energética de una casa y también lo acerca al concepto de "Green House". Por un lado, este tipo de ventilación no requiere consumo de energía y elimina el impacto ambiental, pero en el otro lado es muy difícil controlar el caudal y la temperatura del aire interior. - La ventilación cruzada se puede utilizar en verano (accionada por el viento) permitiendo al aire frío libre entrar y el aire interior caliente salir a través de puertas y ventanas [23]. El uso de ventilación por chimenea solar es también una solución de ventilación natural. - Ventilación pasiva por efecto de chimenea de un espacio vertical (torre) en el que el flujo de aire por convección va hacia arriba creando vacío que hace que el aire frío entre a través de aberturas en la parte inferior de este espacio. - En el diseño del sistema de ventilación, las zonas de "aire estancado" deben ser evitados y la velocidad del aire no exceder de 0,5 m / s. - Los sistemas que emplean energía renovable debe ser capaces de asegurar la temperatura del aire interior de al menos 16,5 ºC incluso al aire libre temperaturas de 10 ºC. La energía restante necesaria para calentar el aire para el valor comodidad, será asegurada por otras fuentes. - La temperatura de la superficie interna de las ventanas para variar con amplitud pequeña y ser próxima a la de la superficie de las paredes para evitar molestias locales. - Uso del Modelo Fanger u otros para la estimación más precisa del confort térmico que debe proporcionarse. - Humedad: recomendada de intervalos entre 40% ... 60% o como rango máximo el 30% ... 70%. Aparatos eléctricos - Con el fin de reducir el consumo de energía en virtud de un valor máximo en función de la norma impuesta y de la sincronización de los objetivos globales de edificios de consumo casi nulo, se recomienda utilizar un equipo con al menos la clase A+ de eficiencia energética. - En comparación con la iluminación de las bombillas incandescentes, el uso de los fluorescentes o lámparas LED baja significativamente el consumo de energía y aumenta la esperanza de vida de las luminarias. 19 Carga de energía - Reducción de 8 a10 veces la carga de calefacción / refrigeración en comparación con una casa de construcción clásica. Aspectos económicos - La recuperación de la inversión adicional se produce de 16 a 30 años, en función de la solución y equipo elegido. - En general, el costo adicional para los sistemas requeridos por una casa pasiva es 5%- 15% del costo total de la casa. Nuevos conceptos, ciclo positivo de energía en los edificios En 2006, NREL introdujo el término de Net-Cero Energy (NZEB) destacando el logro de la producción de energía, sobre la base de sistemas de energía renovable [24]. El término "Net" es una abreviatura de la "Red Eléctrica". Torcellini et al. (2006)[25] en base a varios criterios detalla el concepto de "edificio energía cero" (ZEB) y propone cuatro definiciones diferentes. Entre ellas el Net Zero Energy Solar en (NetZSEB). El edificio produce en un año por lo menos la misma energía que se consume. El equilibrio se basa en factores de conversión de energía primaria para la importación o exportación de energía. El “Ciclo positivo de energía en los edificios” representa el último desafío en el sector de la construcción. Este tipo de construcción es capaz de producir más energía de la que consume y puede entregar el exceso a las redes locales o públicas. El Ciclo Positivo Energía en una Red Local es una nueva tendencia que sirve como premisa de las ciudades energéticamente independientes. Existe una clasificación teniendo en cuenta la conexión a la red eléctrica pública " Plus Energy Building", donde produce el exceso de energía y el déficit temporal se compensa con la red pública y "Off-Grid Zero Energy" donde el sistema general de producción y almacenamiento de energía tienen redundancia por sobre-dimensionamiento con el fin de compensar cualquier déficit en la producción de energía [26-27]. Actualmente hay preocupaciones para regular los proyectos de energía que implican a la red inteligente de tal manera que pequeños y grandes inversores en Net-Zero o Plus Energy Buildings puedan tomar las ventajas concretas de esta solución. La mayoría de las dificultades permanecen al plano político y parten del sistema clásico de la distribución de la energía eléctrica. Estandarización y normativa Muchos países de todo el mundo han llevado a cabo una intensa labor de investigación y desarrollado sus propias normas. Los que se mencionan con más frecuencia debido a los resultados significativos de las investigaciones, y también debido a sus rigurosos estándares son: USA (ASHRAE, RESNET – Residential Energy Services Networkand EnergyStar Certificationand HERSIndex); Canada (R-2000 Standard); Germany (EneEV – EnergySaving Ordinance, Passivhaus Standard, DIN-Deutsche Industrie Normen); Swiss (Minergie Standard); Denmark (DS – Danish Standard); France (RT2012 – Reglementation Thermique); UK (BS – British Standard); Sweden (SBC – Sweedish BuildingCode); Finland (NBCF – National Building Code 20 of Finland) and Australia (NatHERS – Nation wide House Energy Rating Scheme). Normativa Europea (EN) emite constantemente las normas que están destinadas a ser aplicados en todos los países miembros y algunos de los requisitos se encuentran en un terreno común con la norma ISO. De acuerdo a la directiva relativa a la eficiencia energética de los edificios (Directiva 2010/31 / UE), los edificios de consumo de energía casi cero (ZEBs) se describen como edificios que tienen cero emisiones de carbono sobre una base anual. En la práctica, esto se puede lograr mediante la reducción de la demanda energética del edificio y por la explotación de fuentes de energía renovables (FER) usando tecnologías apropiadas para satisfacer las necesidades de energía. Según la normativa anteriormente citada, todos los edificios nuevos deberían ser de consumo casi cero de energía a partir de 2020, mientras que los nuevos edificios públicos deben dar el ejemplo al cumplir con este requisito con dos años de antelación. Además, la Comisión Europea anima a los Estados miembros a desarrollar políticas, medidas financieras y otros instrumentos para la promoción de la transformación de todos los edificios existentes en ZEBs. El estándar Passivhaus se considera como el estándar más influyente a nivel internacional con más de 25.000 proyectos certificados en Europa. Se ha desarrollado a través de una serie de proyectos por el profesor Wolfgang Feist del “Instituto de Vivienda y Medio Ambiente de la Universidad de Darmstadt en Alemania”. De acuerdo con esta norma para el centro de Europa, los edificios deben ser diseñados de forma que su demanda anual de energía para la calefacción y la refrigeración no excederá el 15 kWh / m2 / año, ni que su consumo de energía superen una carga térmica máxima de 10 W / m2 [28]. Además, el consumo de energía primaria total anual de los edificios no debe superar el 120 kWh / m2. Para que un edificio pueda alcanzar el estándar Passivhaus, se espera que incluya altos niveles de aislamiento y los mínimos puentes térmicos, así como una mayor utilización de las ganancias solares e internas con fines de calefacción. La ventilación es otra característica importante de los edificios Passivhaus. En Francia, la BBC-Effinergie incorpora los requisitos reglamentarios para la eficiencia energética de los edificios. La etiqueta de la BBC-Effinergie puede ser adquirida por los edificios, cuyos requisitos de energía primaria para calefacción, refrigeración, ventilación, agua caliente, y la iluminación no exceda el 50 kWh / m2 / año [29]. El Código Británica para hogares sostenibles utiliza un sistema de clasificación de estrellas en función de la sostenibilidad para evaluar el rendimiento global de sostenibilidad de un edificio. Un edificio puede lograr de una a seis estrellas dependiendo de la extensión que alcanza los estándares mínimos del Código, que se encuentran en nueve áreas, incluyendo el uso de la energía, las emisiones de dióxido de carbono y agua. Sobre la base de este sistema de clasificación, las seis estrellas pueden ser adquiridas por los edificios que tienen cero emisiones de carbono. ). El sistema de calificación LEED evalúa también edificios en una amplia gama de categorías. De hecho, LEED tiene unos 100 posibles puntos básicos distribuidos en seis categorías de crédito, incluyendo sitios sustentables, eficiencia de agua, energía y atmósfera, materiales y recursos, calidad medio-ambiental y la innovación en el diseño. Además, concede cuatro puntos adicionales de prioridad regional y seis puntos adicionales para la innovación en el diseño o la innovación en las operaciones (USGBC, 2014). 21 22 Plan Estratégico Europeo de Tecnología Energética (SET-Plan). El plan SET (Plan de Tecnología Energética) representa la herramienta de apoyo a la toma de decisiones principal de la política de tecnología energética europea. Aspira a la promoción de las tecnologías de baja emisión de carbono a través de la aceleración del desarrollo de conocimientos, la transferencia de tecnología y la absorción por su contribución a la consecución del Proyecto 2020 y la transición de Europa a una economía baja en carbono para el año 2050 (Comisión Europea, 2014). Las iniciativas industriales dentro del plan SET son los siguientes: - La Iniciativa del Viento - La Iniciativa Europa Solar (fotovoltaica y energía solar térmica ) - La Iniciativa de Red Eléctrica - La Captura de Carbono, Transporte y Almacenamiento - La Iniciativa Nuclear Sostenible - La Iniciativa de Bioenergía Industrial - La Iniciativa de Ciudades y Comunidades Inteligentes - La Iniciativa Tecnológica Conjunta sobre Pilas de Combustible de Hidrogeno Un nuevo enfoque para el balance de energía en la red ZEBs fue presentado por Bourrelle, Andresen, y Gustavsen (2013). De hecho, se apoya que el enfoque más apropiado para medir la contribución de los ZEBs en los actuales desafíos ambientales, es el enfoque de la energía de amortización. Además, en este trabajo se recomienda que la definición de ZEBs debería revisarse para indicar que un ZEBs no debe requerir ninguna energía no renovable. Los ZEBs como parte integral de las ciudades inteligentes La metodología normalmente aplicada pretende demostrar el potencial de los ZEBs en contribuir al desarrollo de las ciudades inteligentes. En primer lugar, las disposiciones de un ZEB serán consideradas como parte integrante de una futura ciudad inteligente, que a continuación serán identificadas y presentadas. - Prácticas de diseño ambiental y desarrollo - Fuentes de Energía Renovable (RES) - Etiquetado de los sistemas técnicos de construcción - Gestión de la Energía Inteligente Estos conceptos también se resumen en la Fig. 4. Prácticas de diseño ambiental y desarrollo La definición ZEB implica que la eficiencia energética del edificio se incrementa al minimizar su demanda de energía. Esto podría lograrse a través de diseños de edificios adaptados al clima y a la región, así como las prácticas de construcción que reduzcan la demanda energética del edificio. El “Diseño Ambiental del Edificios” tiene como objetivo explotar la ganancia de calor solar pasiva y el sombreado, combinado con 23 masas con una gran inercia térmica para estabilizar las variaciones de temperatura diurnas durante todo el día, así como la ventilación natural [30]. La minimización de la energía requerida para los propósitos de calefacción y refrigeración se consigue también mediante el aislamiento térmico adecuado del edificio, con el objetivo de reducir al mínimo la transmitancia térmica de la envolvente del edificio [31]. En este sentido, los materiales de aislamiento contemporáneas e innovadores, tales como aislamiento sólido [32], el aislamiento de vacío [33], ventanas de vacío [34], y cold roof [35] se emplean para la mejora del rendimiento energético. Otra característica importante de los ZEBs es la eliminación de puentes térmicos, para no sólo restringir la energía que se pierde, sino que también evitar que se forme condensación que podría provocar daños a la estructura del edificio [36]. Una tendencia adicional con respecto a la evaluación ambiental de los materiales de construcción en los ZEBs es su Análisis de Ciclo de Vida (ACV), que incorpora todo el ciclo de vida de los productos, incluyendo: las emisiones de carbono y costos necesarios para la extracción de materias primas, fabricación, transporte y eliminación de los productos [37]. Fuentes de Energía Renovable (RES) Se espera que debido a la reducida demanda de energía eléctrica y térmica de los ZEBs puedan autoabastecerse de forma anual a partir de energía entregada in situ o ex situ a través de las RES. Las RES que se consideran actualmente como aplicable para la generación de energía en el lugar son: la energía solar y la biomasa. Los paneles fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad, mientras que los paneles térmicos utilizan la luz solar para convertir la energía solar en energía térmica para ser utilizado con fines de calefacción y refrigeración, así como para el agua caliente sanitaria [38]. La biomasa es actualmente entre los RES más populares. Las calderas de biomasa utilizan una amplia gama de recursos para la producción de electricidad y calefacción [39]. Tecnologías que explotan el viento, la hidráulica o la energía geotérmica también pueden ser usadas, sin embargo, hay limitaciones en cuanto a sus aplicaciones en entornos urbanos densos, por lo que restringe su aplicación en la escala pequeña y su integración en los edificios. Etiquetado de equipos electromecánicos en los edificios Etiquetado ecológico es otro elemento que ofrecen los ZEBs que disminuye la brecha de comprensión entre la mayoría de las personas y los equipos que utilizan. Las Directiva UE 2010/30 establece un marco normativo en Europa para proporcionar la información del usuario final por medio del etiquetado y la información estándar del producto, junto al consumo de energía y de ser necesario otros recursos esenciales relacionados con la energía, permitiendo así que los usuarios finales puedan elegir los productos más eficientes. Los principales electrodomésticos a los que se refiere la presente Directiva son los siguientes: - Acondicionadores de aire - Calderas - Lavavajillas - Lámparas - Aparatos de refrigeración 24 - Televisión - Lavadoras-secadoras - Lavadora - Bombas de agua Ya el 90% de los aparatos vendidos en Europa hoy en día son de clase "A", además los electrodomésticos actuales en Europa utilizan 40% menos energía que los modelos convencionales en 2001 [30]. Además, los ZEBs incorporan iluminación de bajo consumo y tecnologías de iluminación asequibles, incluyendo lámparas fluorescentes compactas (CFL) y diodos emisores de luz (LEDs). El uso de menos luz en los ZEBs no sólo ahorra energía, sino que también reduce la ganancia de calor y por lo tanto ahorra energía adicional del aire acondicionado y mejora el confort térmico. Gestión de la Energía Inteligente Sistemas de gestión energética de edificios (BMS) son otro elemento clave de los ZEBs. Los BMS (Building Management System), son un sistema de gestión de edificaciones, basado en un software y hardware de supervisión y control instalado en edificios. Son responsables de la continua gestión de la energía del edificio, así como el ahorro de costes que se consiguen. Los BMS realizan seguimiento de equipos mecánicos y eléctricos del edificio, incluyendo la ventilación, la iluminación, sistemas de energía, sistemas contra incendios y los sistemas de seguridad. Además de realizar un seguimiento efectivo, y una orientación del consumo eficiente de energía del edificio, los BMS también proporcionan a los ocupantes un buen control de las condiciones de confort térmico en el interior. Prácticas de Diseño Ambiental y Desarrollo -Diseño ambiental en edificios -Contemporáneos e innovadores materiales de construcción -Mejores prácticas de diseño (por ejemplo, evitar los puentes térmicos) Fuentes de Energéticas Renovables -Solar térmica -Calderas de biomasa -Turbinas de viento -Turbinas hidráulicas -La generación de energía geotérmica 31 Tabla 1 [161] País / ciudad / clima Referen cia Edificio Medidas de conservación de energía / implicaciones de rendimiento energético Australia, 8 zonas climáticas [59] Residencial Aislamiento térmico, vidrio de baja emisividad y doble acristalamiento, electrodomésticos de alta eficiencia energética (especialmente para climas donde predomina el enfriamiento). [60] Oficina Aislamiento térmico (menos eficaz en climas fríos), menor WWR (Windows-Wall-Ratio) (relación entre el tamaño de la ventana-pared), vidrio reflectante, LLD inferior (densidad de carga de iluminación), especialmente eficaz en climas fríos. China, arquitectura para las 5 grandes zonas climáticas [61,62] Oficina Aislamiento térmico (eficaz en climas severos tanto fríos como calientes), acristalamiento doble y triple, menor WWR, aumento de los sistemas térmicos en verano (temperatura de referencia), menor LLD, mejorar el COP (coeficiente de rendimiento). Hong Kong [64,6] Residencial Aislamiento térmico, alta inercia térmica, ventanas con revestimiento reflectante, menor WWR, protección solar, la reducción de 19.9% en el enfriamiento en función de la carga y entre el 11-29% en el pico de la demanda de refrigeración. Emiratos Árabes Unidos [66] Residencial Aislamiento térmico, inercia térmica, doble acristalamiento, menor WWR, utilizando la iluminación natural, generamos una reducción del 28% Estados Unidos, las 8 zonas climáticas [67] No Residencial (Oficina, hotel, escuela, etc.) Aislamiento térmico, ventanas de baja emisividad, protección solar, iluminación natural. Reino Unido [68] Residencial Aislamiento térmico, cámaras de aire, vidrios dobles (mejor opción debido a mayor ahorro en la demanda energética por calefacción y menor incremento inducido en carga de refrigeración). [69,70] Oficina Aislamiento térmico, vidrio de baja emisividad, triple acristalamiento, iluminación LED, alta inercia térmica con alta ventilación y protección 32 solar que ayuda a reducir el sobrecalentamiento de verano. Berlín (frío), Barcelona (templada), Palermo (caliente) [71] General sin especificar el tipo de edificio Pared tradicional con cámaras de aire, más aisladas (aire en la cavidad con recubrimiento adicional de corcho), fachada ventilada, ahorro energía medioambiental en condiciones climáticas extremas en Berlín y Palermo. Suiza [72] Oficina Protectores solares, ventilación nocturna, estrategias de diseño especiales para minimizar el sobrecalentamiento del verano y reducir la necesidad de refrigeración. Burkina Faso (África subsahariana) [73] Oficina Protector solar, una reducción de hasta 40% en la carga de refrigeración. 33 34 Las energías renovables y otras tecnologías En este capítulo pretendemos explicar que incluso con la adopción de las mejores medidas de eficiencia energética disponibles, aún se requiere energía para alimentar el funcionamiento de un edificio en el día a día. Para los ZEBs, esto se logra a través del uso de las energías renovables y otras tecnologías. Las principales tecnologías [95-97] comúnmente adoptadas son: - Fotovoltaica (PV) y Fotovoltaica integrada en el edificio (BIPV) - Tecnologías eólicas - Solar térmica (calentadores de agua solares) - Bombas de calor (anexo VII de la Directiva 2009/28/CE) - Centralización de la calefacción y refrigeración urbana Las cuatro primeras son generalmente las aplicadas in situ. Fotovoltaica (PV) y Fotovoltaica Integrada en el Edificio (BIPV) Las placas fotovoltaicas son unas de las tecnologías de energía renovable más prometedoras en el logro del desarrollo sostenible [98,99]. Todos los estudios de caso ZEBs mostrados en la Tabla 1 adoptaron algunos tipos de tecnología fotovoltaica. En las zonas urbanas y suburbanas, los módulos PV se montan a menudo en los tejados de las casas, así como edificios no residenciales (por ejemplo, oficinas, hoteles, escuelas). Para maximizar el número de módulos fotovoltaicos instalado y por lo tanto la energía eléctrica generada, a veces se utilizan PV en la envolvente del edificio. Dicho sistema se denomina BIPV (fotovoltaica integrada en el edificio). Los paneles fotovoltaicos integrados en el edificio ayudan a aumentar la energía generada por unidad de área de suelo del edificio, por lo que hace que la energía solar sea más viable como alternativa y / o complemento a la red eléctrica. Esto, sin embargo, tiende a restringir la penetración de luz natural. Un trabajo reciente ha utilizado módulos fotovoltaicos semitransparentes de la envolvente de un edificio de oficinas en el clima subtropical de Hong Kong y se ha demostrado que la doble función de generación de electricidad y permitir el paso de la luz del día, en los espacios interiores, facilita diseños de iluminación natural [100]. Otro desarrollo reciente para aumentar la eficiencia energética de las PV es el sistema HPVT (fotovoltaica híbrida térmica). En general, una célula solar tiene una eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica entre 9-18% (es decir, más de 80% de la radiación solar recibida no se convierte en electricidad, pero esa energía es o bien reflejada o disipada en forma de energía térmica). Esto provoca un aumento en la temperatura de trabajo de la célula solar y conduce a una eficiencia de conversión inferior. Un sistema de HPVT hace uso de módulos de refrigeración termoeléctricos para reducir la temperatura de la célula solar y se aprovecha del agua caliente producida por la generación de calor residual. Por lo tanto HPVT genera tanto energía eléctrica como térmica [98,101]. La potencia de salida y el sistema de eficiencia de un sistema fotovoltaico varía durante los diferentes momentos del día y diferentes estaciones del año con sujeción a las condiciones climáticas locales. La información sobre los patrones diarios y estacionales, permitiría a los arquitectos e ingenieros tener una mejor comprensión del funcionamiento del sistema fotovoltaico, para la realización del proceso de diseño y análisis. Estos datos se pueden determinar a través del monitoreo en línea y mediciones in situ de las instalaciones fotovoltaicas en funcionamiento [102,103]. La exploración de la electricidad fotovoltaica, generada en el lugar y la exportación de cualquier exceso de energía a la red local de servicios públicos son una estrategia importante para aumentar la cuota de las energías 35 renovables. Un reciente estudio sobre la integración a gran escala de los valores actuales en las ciudades se ha estimado que los sistemas fotovoltaicos pueden atender a 35% del consumo total de electricidad [104]. Sin embargo, la amplia difusión de la generación fotovoltaica puede causar, entre otras cosas, la inestabilidad y poner en peligro la calidad de la estructura de la red eléctrica existente. Se requiere más trabajo sobre "redes inteligentes". Tecnologías eólicas La generación de energía eólica se caracteriza por la naturaleza estocástica del viento. Fiable mediante métodos estadísticos, la previsión de energía eólica tiene un papel importante en el diseño y análisis de aerogeneradores, el cual es crucial para hacer frente a los desafíos de equilibrar la oferta y la demanda en cualquier sistema eléctrico[105]. En general, la disponibilidad de energía solar y eólica tiende a tener algunas características complementarias (es decir, cuando la disponibilidad solar es baja, la disponibilidad de viento tiende a ser alta, y viceversa), lo que sugiere que la energía solar y eólica pueden, en cierta medida, compensarse durante diferentes épocas del año. Esto ha llevado al desarrollo de sistemas de generación de energía fotovoltaica-eólica híbridos tanto a escala de servicios públicos, así como en pequeños sistemas de autónomos[106 , 107]. Se encontró que los sistemas híbridos tuvieron mayor rendimiento energético que la fotovoltaica o la eólica por separado. Para los ZEBs, si se adopta un sistema único o uno híbrido, el desafío sería estabilidad de la red. Aunque no es específico para aplicaciones ZEBs, Liu et al. [108] destacó la importancia de la estabilidad de la red en la integración de gran escala de la energía renovable fluctuante con la infraestructura eléctrica existente. Se requiere más trabajo en esta área. Solar térmica En el sector residencial, el uso de energía para el agua caliente sanitaria es una proporción significativa del consumo total de energía en el hogar. Un estudio reciente sobre la integración de una nueva variedad de calentadores de agua (incluyendo CSA) aplicado a un modelo de uso de la energía residencial de la ciudad de Osaka en Japón ha demostrado grandes ahorros de energía y un alto potencial reducción de las emisiones de CO2 [109]. A través de los años, ha habido nuevos desarrollos, e innovaciones en la mejora de la eficiencia energética global de calentadores solares de agua, que se puede aplicar fácilmente a los ZEBs. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de agua caliente llevaba el colector integrado de bajo perfil, fue desarrollado para abordar la cuestión estética y arquitectónica [110]; y un SWH (calentador de agua solar) que usa una bomba de agua solar, en donde la bomba fue accionada por el vapor producido a partir de un colector de placa plana y el coste global fue comparable a un SWH convencional [111]. Otros avances recientes en CSA (calentadores de aguas solares) incluyen: termosifón SWH bifasico, la mejora en eficiencia de carga del sistema es 82%, que es superior a CSA convencionales [112]; un SWH usando “stationary V-trough collector” con resultados prometedores tanto para la eficiencia óptica del reflector como en el rendimiento térmico global del sistema [113]; y un sistema combinado solar que cumple al mismo tiempo las necesidades de calefacción y agua caliente sanitaria [114]. Bombas de calor Las bombas de calor, ofrecen alternativas viables de recuperación de calor de diferentes fuentes de energía, para su uso en diversas aplicaciones. Los recientes avances en las tecnologías de bomba de calor, se centran en diseños de ciclos avanzados para sistemas de calor y rendimiento, la mejora de los componentes del ciclo y fluidos de trabajo, hace que aumente su utilización y aplicaciones [115]. El 36 coeficiente de rendimiento (COP, una medida de la eficiencia) de las bombas de calor es típicamente entre 3 y 5, las ASHPs (bombas de calor con fuente de aire) tienden a tener COP cerca del extremo inferior de la gama. Para mejorar el rendimiento de energía, las ASHPs pueden integrarse con colectores solares para que la energía pueda ser suministrada al evaporador, a una temperatura más alta que el aire exterior ambiental, con el aumento de la capacidad y mayor COP [116]. Durante los períodos de calentamiento / enfriamiento pico, las temperaturas ambientales imperantes pueden limitar la capacidad de un ASHP y hacer que funcione a una menor eficiencia. 5.1.4.1 Bombas de calor geotérmicas (GSHPs) En los últimos años, ha habido una serie de estudios sobre el desarrollo de GSHPs (bombas de calor geotérmicas) para cubrir la carga máxima sin la necesidad de plantas suplementarias. Las ventajas incluyen menor costo operativo, por lo general sin unidad exterior, una mayor fiabilidad, vida útil de la unidad más larga, la conservación de energía y reducción de emisiones de CO2 [117]. En general, se acordó que GSHPs puede lograr una mejor eficiencia operativa en climas donde la calefacción y requisitos de refrigeración están bien equilibrados durante todo el año [118]. La mayoría de los edificios, sin embargo, tienen cargas desequilibradas por los requisitos tanto de enfriamiento o como de calentamiento, especialmente en los climas más cálidos y más fríos. Podemos obtener más información en este aspecto referente a bombas de calor aerotérmica, geotérmica o hidrotérmica, en el anexo VII de la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de abril de 2009, relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables. En los edificios donde prevalece el enfriamiento en los climas más cálidos, se transferirá una gran cantidad de calor a la tierra a través de las sondas geotérmicas. Durante un cierto tiempo, el calor que se acumulará dará como resultado el incremento de la temperatura del suelo, y afectara a la eficiencia operativa. Este problema se puede resolver mediante el uso de sistemas híbridos con unidades suplementarias de calor tales como: torres de refrigeración para eliminar el calor acumulado [119]. Los GSHPs híbridos con calentamiento de agua ya a cierta temperatura pueden también ser atractivos para los edificios donde predomina el enfriamiento por las necesidades de agua caliente (por ejemplo, lavado y duchas). Asimismo, en la calefacción de edificios donde predominan climas más fríos, GSHPs puede provocar un agotamiento de calor térmico del suelo. Esto disminuirá progresivamente la temperatura del fluido de trabajo y por lo tanto reducir la eficiencia del sistema [120]. En el enfoque adoptado es común el uso de GSHPs híbridos con colectores solares, que recarga el suelo a través de la perforación evitando así el agotamiento de calor de la tierra. El diseño óptimo es cuando el calor solar produce agua caliente sanitaria durante el verano y se recarga el pozo durante los meses de invierno. El dimensionamiento correcto es encontrar un equilibrio entre el consumo de agua caliente de verano y los requisitos de recarga en invierno [121,122]. Centralización de la calefacción y refrigeración urbana La centralización de la calefacción y refrigeración (DHC) es un sistema de distribución de calor y frío, generado desde una ubicación centralizada, cuyo objetivo es climatizar (y en algunos casos proporcionar ACS) a edificios residenciales, comerciales e industriales. Puede proporcionar eficiencia, beneficios de costos ambientales y de operación a las comunidades y a los consumidores de energía. La centralización de la calefacción y refrigeración ayuda a reemplazar los equipos menos eficientes en edificios individuales con un sistema de calefacción / refrigeración central más eficiente que se realiza en un espacio acondicionado. La centralización de la calefacción y refrigeración puede contribuir a reducir el cambio climático y otros problemas ambientales relacionados con la energía, tales como la contaminación del aire, el agotamiento del ozono y la lluvia ácida [123]. Un estudio realizado en 37 Japón encontró que la eficiencia energética para la refrigeración en los sistemas de DHC es superior a los sistemas de refrigeración individuales a causa del "efecto de concentración" y "grado de la operación" [123]. Estudios recientes de la calefacción urbana en Dinamarca y Noruega también han demostrado una reducción sustancial de la demanda de combustible, emisiones de CO 2 y del costo de operación, se puede lograr mediante la conversión a la calefacción urbana [134,125]. A pesar del costo de inversión inicial (por ejemplo, la infraestructura de red de distribución y posibles medidas de reconversión edificio como el cambio al sistema de calefacción hidráulico), es probable que sea la opción más razonable para el cumplimiento de las cargas de calefacción de los edificios. Además, el exceso de calor de los ZEBs (a través de colectores solares térmicos y / o bombas de calor) puede satisfacer parte de la demanda global de calentamiento dentro de la red y así beneficiar a los sistemas de calefacción urbana mediante la reducción de su consumo de combustible [97]. 38 Consecuencias para el desarrollo sostenible y otros trabajos de investigación A partir de los trabajos revisados hasta ahora, es razonable decir que en los ZEBs, las técnicas y las tecnologías de diseño asociadas están bien establecidas, y jugarán un papel importante en cualquier futura estrategia de desarrollo sostenible. Sin embargo, se cree que hay por lo menos tres áreas que necesitan mayor discusión y requieren un mayor coste de investigación y desarrollo: el ciclo de vida y el medio ambiente, el cambio climático, y las cuestiones de política social. Estos se resumen de la siguiente manera: Coste del ciclo de vida y el medio ambiente El concepto ZEBs plantea la pregunta de ¿qué escala y profundidad se deben tomar antes de considerar las tecnologías de energías renovables para satisfacer el requerimiento de las medidas de energía de eficiencia energética?[126]. Una estrategia es llevar a cabo un análisis de energía del ciclo de vida de los ZEBs incluyendo las energías renovables. Ha habido una serie de estudios que utilizan la técnica de la contabilidad energética de ciclo de vida para evaluar la eficiencia energética y las consecuencias de las emisiones de cualquier edificio [127,128] o las tecnologías renovables específicas [129,130]. Aun así se necesita más trabajo en los ZEBs. Un estudio reciente sobre un edificio residencial en Dinamarca ha indicado que, desde una perspectiva de costo-efectividad, la demanda de energía se debe reducir al mínimo a través de diseños energéticamente eficientes de construcción, dejando sólo una cantidad muy pequeña de requerimiento de energía para ser cubierta por la generación de energía renovable [126]. Un nuevo término "LC-ZEB" (ciclo de vida para un edificio de consumo casi nulo) también ha sido sugerido para enfatizar la importancia de examinar toda los ZEBs sobre una base del ciclo de vida, teniendo en cuenta tanto la energía incorporada en los materiales, como la de operación [131]. Quedan muchos retos por superar en el análisis del ciclo de vida. Por ejemplo, aunque GSHPs han demostrado su utilidad en la reducción de las emisiones de CO 2 en comparación con los sistemas de calefacción de gas eléctricos o naturales, se ha argumentado que la reducción es marginal cuando los impactos ambientales del ciclo de vida (por ejemplo, el agotamiento de recursos abióticos de los combustibles fósiles, el potencial agotamiento de la capa de ozono y el potencial de eco-toxicidad terrestre) se tienen en cuenta [132]. También se ha señalado que la mezcla de combustible para la generación de electricidad se va a cambiar en el futuro y que este quedara sujeto a las circunstancias económicas y políticas, así como la disponibilidad de recursos energéticos, por no hablar de la complejidad con respecto a las pérdidas de la red eléctrica en el cálculo del ahorro de energía y la reducción de CO 2 en los edificios [133,134]. Estos sin duda afectaran a la huella de carbono de las diferentes tecnologías de energías convencionales y renovables. Se requiere en este aspecto más trabajo. 39 El cambio climático En referencia a este tema se conviene generalmente que nuestro clima está cambiando y que la temperatura se elevará gradualmente. Las revisiones recientes de los efectos del cambio climático en el sector energético en general [135] y el uso de energía en el entorno en particular [83] han puesto de manifiesto la vulnerabilidad de los sistemas de energía en edificios al cambio climático. Específicamente para los ZEBs, se ha encontrado que a pesar de las variaciones anuales en el consumo total de energía del edificio es relativamente pequeño, el impacto de los problemas de exceso y de almacenamiento de energía en relación al objetivo de los ZEBs es significativo. Se debe tener en cuenta la simulación plurianual referente al cambio climático y que se debe utilizar en los ZEBs para realizar diseños y análisis [136] sensibles al clima. Esto está en contraste con la representación clásica del clima (por ejemplo TMY (año meteorológico típico) y TPCY (componentes principales del año típico)) por lo general estos métodos se adoptan para el análisis de simulación de energía del edificio por hora [147]. Esto lleva a la cuestión de la selección del modelo climático. Por ejemplo, Wan et al. [138] compararon el desempeño de los cinco modelos de circulación general en términos de DBT (temperatura de bulbo seco), WBT (temperatura de bulbo húmedo) y GSR (radiación solar global) en diferentes zonas climáticas. La comparación de modelos se muestra en la Tabla 3. 40 Tabla 3 [161] a MBE ∑= 1 (𝑃𝑖 −𝑀𝑖)/𝑛 𝑛 𝑖 (Pi=predicción, Mi= datos de medición, n=252 para Hong Kong y n=348 para las otras cuatro ciudades). b RMSE ∑= 1 (𝑃𝑖 −𝑀𝑖)2/𝑛1/2 𝑛 𝑖 c Medidas aritméticas Se puede observar que el rendimiento de los cinco modelos pueden variar mucho en función de las diferentes zonas climáticas y para diferentes variables meteorológicas. Se requiere más trabajo en la selección de los modelos climáticos adecuados para la construcción de estudios de simulación de energía. Por otra parte, en los últimos años ha habido muchos estudios sobre la calefacción urbana, pero muy poco en refrigeración urbana. El calentamiento global conducirá a menos requisitos de calefacción, especialmente en climas más fríos, ocurrirá lo contrario en los climas más cálidos donde tendremos que aplicar aun con más énfasis los requisitos de refrigeración. Ciudad Modelo DBT WBT GSR Puntuaci ó n media c MBE la RMSE b MBE RMSE MBE RMSE ○C Rango ○C Rango ○C Rango ○C Rango MJ / m 2 Rango MJ / m 2 Rango Harbin BCCR-BCM2.0 - 3.81 4 6.15 4 - 3.21 5 5.25 4 1.38 4 3.98 4 4.2 GISS-OMA - 1.59 2 3.49 2 0.16 1 2.61 2 0.70 1 3.32 2 1.7 INM-CM3.0 - 4.02 5 5.22 3 - 2.77 4 4.10 3 1.05 3 3.83 3 3.5 MIROC3.2-H - 0.35 1 2.67 1 0.29 2 2.35 1 3.65 5 5.69 5 2.5 NCAR-CCSM3.0 - 2.66 3 8.69 5 - 1.65 3 7.27 5 1.03 2 2.90 1 3.2 Beijing BCCR-BCM2.0 - 6.89 4 7.54 3 - 4.59 4 5.24 3 1.46 1 2.76 1 2.7 GISS-OMA - 3.24 2 4.02 2 - 2.44 2 3.33 2 2.01 4 3.09 3 2.5 INM-CM3.0 - 7.28 5 7.96 4 - 5.58 5 6.15 4 1.87 2 2.90 2 3.7 MIROC3.2-H - 2.69 1 3.47 1 - 1.86 1 2.70 1 4.20 5 4.81 5 2.3 NCAR-CCSM3.0 - 5.62 3 8.40 5 - 4.35 3 6.75 5 1.92 3 3.93 4 3.8 Shanghai BCCR-BCM2.0 - 0.91 1 1.93 1 - 0.63 1 1.92 1 2.53 2 4.01 1 1.2 GISS-OMA 3.28 5 4.76 4 2.70 5 4.07 3 4.01 3 4.80 3 3.8 INM-CM3.0 - 3.16 4 4.71 3 - 2.51 4 4.10 4 4.57 4 5.37 4 3.8 MIROC3.2-H 1.00 2 2.08 2 1.37 3 2.18 2 5.20 5 6.03 5 3.2 NCAR-CCSM3.0 - 1.79 3 5.13 5 - 0.86 2 4.52 5 2.24 1 4.15 2 3.0 Kunming BCCR-BCM2.0 - 3.00 5 3.52 5 0.52 1 1.97 1 0.13 1 3.56 1 2.3 GISS-OMA - 0.52 4 1.47 1 2.23 5 2.60 3 4.41 4 5.79 4 3.5 INM-CM3.0 0.14 1 3.40 4 1.32 3 3.46 5 3.77 2 5.41 2 2.8 MIROC3.2-H - 0.23 2 1.68 2 1.87 4 2.29 2 4.15 3 5.50 3 2.7 NCAR-CCSM3.0 - 0.23 2 3.34 3 - 0.59 2 2.98 4 4.82 5 6.76 5 3.5 Hong Kong BCCR-BCM2.0 - 1.32 4 2.12 2 - 0.36 2 1.85 2 2.53 1 4.50 1 2.0 GISS-OMA - 0.60 2 2.61 3 - 0.18 1 1.99 3 6.18 5 7.22 5 3.2 INM-CM3.0 - 2.92 5 3.64 5 - 2.45 5 3.11 5 5.45 4 7.01 4 4.7 MIROC3.2-H 0.06 1 1.77 1 0.69 3 1.75 1 5.08 3 6.37 3 2.0 NCAR-CCSM3.0 - 0.99 3 2.62 4 - 0.84 4 2.62 4 3.55 2 4.59 2 3.2 ¼ yo yo 2 1 = 2 47 - Las características geométricas de los tubos con pendiente horizontal (2,5%), se deben diseñar para permitir las operaciones de limpieza sencilla eficaces y drenaje de condensación adecuado. - Se debe realizar una simulación energética del edificio utilizando por ejemplo la herramienta de simulación de rendimiento edificio EnergyPlus [151]. La ventilación voluntaria y la infiltración de aire involuntario se puede calcular con AirflowNetwork. Siguiendo los principios de diseño integrado [152], se deben aplicar un gran número de estrategias y conceptos pasivos, analizarlos y simularlos durante la fase de diseño conceptual. Para así tener claro la selección de las mejores características de los elementos de construcción prestando especial importancia a los revestimientos tales como el techo, paredes exteriores, piso, unidades de acristalamiento en las varias orientaciones, y las estrategias y / o puntos de ajuste para el control de los dispositivos de protección solar, es fundamental la apertura nocturna de ventanas para fomentar de forma natural la ventilación. Esto puede ser impulsado por un algoritmo de optimización través de por ejemplo GenOpt (motor de optimización) [153, 154], lo cual puede resultar muy útil cuando el sistema de calefacción mecánica y sistema de refrigeración (una bomba de calor reversible) se incluye en el modelo del edificio (además del EAHE), y los requisitos sobre confort térmico en espacios interiores se han fijado en referencia al modelo de confort Fanger [155] tal como se aplica en las normas ISO Internacionale 7730 [156]. Las temperaturas de confort óptimas de temporada se calculan suponiendo una actividad metabólica de 1,2 met, 0,5 clo para ropa de verano y 1clo para la ropa de invierno. Aplicación del Documento Básico HE1 Ahorro de Energía El Documento Básico HE Ahorro de Energía tiene por objeto establecer reglas y procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de ahorro de energía. Tanto el objetivo del requisito básico "Ahorro de energía", como las exigencias básicas, se establecen en el artículo 15 de la Parte I del CTE y se presentan a continuación: 1. Conseguir un uso racional de la energía necesaria para la utilización de los edificios, reduciendo a límites sostenibles su consumo y conseguir asimismo que una parte de este consumo proceda de fuentes de energía renovable. 2. Para ello, los edificios se proyectarán, construirán, utilizarán y mantendrán de forma que se cumplan las exigencias básicas que se establecen en este Documento Básico. 3. El Documento Básico “DB HE Ahorro de energía” especifica parámetros objetivos y procedimientos cuyo cumplimiento asegura la satisfacción de las exigencias básicas y la superación de los niveles mínimos de calidad propios del requisito básico de ahorro de energía. Además, el artículo 15.1 hace una referencia a la envolvente y a los procedimientos de verificación: Los edificios dispondrán de una envolvente que limite la demanda energética necesaria para alcanzar el bienestar térmico en función de diversos factores como el clima de la localidad, el uso del edificio, sus características de aislamiento e inercia, permeabilidad al aire y exposición a la radiación solar, etc. 48 Clasificación de los espacios El apartado 3.1.2 del DB-HE1 clasifica los espacios existentes en un edificio de la siguiente manera: Los espacios interiores de los edificios se clasifican en espacios habitables y espacios no habitables. Según terminología del DB-HE1: Espacio habitable: Espacio formado por uno o varios recintos habitables contiguos con el mismo uso y condiciones térmicas equivalentes agrupados a efectos de cálculo de demanda energética. Recinto habitable: Recinto interior destinado al uso de personas cuya densidad de ocupación y tiempo de estancia exigen unas condiciones acústicas, térmicas y de salubridad adecuadas. Se consideran recintos habitables los siguientes: - Habitaciones y estancias (dormitorios, comedores, bibliotecas, salones, etc.) en edificios residenciales. - Aulas, bibliotecas, despachos, en edificios de uso docente; - Quirófanos, habitaciones, salas de espera, en edificios de uso sanitario; - Oficinas, despachos; salas de reunión, en edificios de uso administrativo; - Cocinas, baños, aseos, pasillos y distribuidores, en edificios de cualquier uso; - Zonas comunes de circulación en el interior de los edificios; - Cualquier otro con un uso asimilable a los anteriores. Espacio no habitable: Espacio formado por uno o varios recintos no habitables contiguos con el mismo uso y condiciones térmicas equivalentes agrupados a efectos de cálculo de demanda energética. Recinto no habitable: Recinto interior no destinado al uso permanente de personas o cuya ocupación, por ser ocasional o excepcional y por ser bajo el tiempo de estancia, sólo exige unas condiciones de salubridad adecuadas. Serían, por ejemplo, los garajes, trasteros, las cámaras técnicas y desvanes no acondicionados, y sus zonas comunes. A efectos de cálculo de la demanda energética, los espacios habitables se clasifican en función de la cantidad de calor disipada en su interior, debido a la actividad realizada y al periodo de utilización de cada espacio, en las siguientes categorías: - Espacios con carga interna baja: espacios en los que se disipa poco calor. Son los espacios destinados principalmente a residir en ellos. - Espacios con carga interna alta: espacios en los que se genera gran cantidad de calor por causa de su ocupación, iluminación o equipos existentes. Son aquellos espacios no incluidos en la definición anterior. A efectos de comprobación de la limitación de condensaciones en los cerramientos, los espacios habitables se caracterizan por el exceso de humedad interior. Existen diversas categorías: - Espacios de clase de higrometría 5: espacios en los que se prevea una gran producción de humedad, tales como lavanderías y piscinas. 49 Método de cálculo Esta opción busca conseguir los siguientes objetivos: - Limitar la demanda energética de la vivienda. - Limitar la presencia de condensaciones en la superficie y el interior de los cerramientos. - Limitar las infiltraciones de aire en huecos y lucernarios. - Para aplicar la opción simplificada, se deben cumplir las condiciones siguientes: - Superficie de huecos en cada fachada menor al 60%. - Superficie que ocupan lucernarios en cubierta menor al 5%. - Se aplicará esta opción a los cerramientos nuevos para los casos de rehabilitación. El DB-HE1 define la envolvente térmica de un edificio como el conjunto de todos los cerramientos que limitan: - Los espacios habitables del exterior y los espacios habitables de los no habitables. Así lo muestra la siguiente figura 8: Cubiertas C1: en contacto con el aire C2: en contacto con un espacio no habitable Pc: puente térmico (contorno de lucernario>0,5 m2) L: lucernario Fachadas M1: muro en contacto con el aire M2: muro en contacto con espacios no habitables PF1: puente térmico (contorno de huecos>0,5 m2) PF2: puente térmico (pilares en fachada>0,5 m2) Fig. 8 Clasificación de espacios y superficies 50 PF3: puente térmico (cajas de persiana>0,5 m2) H: huecos Suelos S1: apoyados sobre el terreno S2: en contacto con espacios no habitables S3: en contacto con el aire exterior Cerramientos en contacto con el terreno T1: muros en contacto con el terreno T2: cubiertas enterradas T3: suelos a una profundidad mayor de 0,5 m Una vez obtenida la zona climática como podemos ver en la figura 9, la normativa aporta una tabla donde expone los valores límite de transmitancia térmica medias para los cerramientos y las particiones interiores. Fig. 9 Zonas climáticas Canarias Parámetros característicos de la envolvente ZONA CLIMÁTICA α3, A3 Transmitancia límite de muros de fachada y cerramientos en contacto con el terreno U Mlim: 0,94 W/m2K Transmitancia límite de suelos USlim: 0,53 W/m 2 K Transmitancia límite de cubiertas U Clim: 0,50 W/m 2 K Factor solar modificado límite de lucernarios F Llim: 0,29 Transmitancia Según la DB HE 1, la inercia térmica es la capacidad que tiene la masa de conservar la energía térmica recibida e ir liberándola progresivamente. Los edificios de gran inercia térmica tienen variaciones térmicas más estables ya que el calor acumulado durante el día se libera en el periodo nocturno, esto quiere decir que a mayor inercia térmica mayor estabilidad térmica. La función de los cerramientos es aislar los espacios internos del ambiente exterior, por tanto, han de tardar en reaccionar a los cambios de 51 temperatura, es decir, han de tener una gran inercia térmica. Así funcionan como acumuladores de la energía térmica. Para calcular la transmitancia del cerramiento es necesario conocer los materiales que lo componen y algunas características determinadas como su espesor, la transmitancia de cada uno de ellos y su conductividad, estas últimas las encontraremos en el Catálogo del CTE. Con todo ello se genera una tabla en la que se obtiene una conductividad total del cerramiento y mediante la fórmula que aparece en el apéndice E del DB-HE1 se obtendrá su transmitancia térmica total que será comparada con la máxima permitida en la zona climática α3. Por ejemplo para un Muro de bloque de hormigón de 20 cm de espesor (λ=0,46) Enfoscado de mortero de cemento (e=1,5 cm) + BHV (e=20 cm) + enfoscado hidrofugado (e=1,5 cm) +barrera contra el vapor (emulsión) + aislamiento térmico EPS tipo III (e=3 cm) + pladur (e=1,5 cm) como el que podemos ver en la figura 10 Fig. 10 Capas y espesores muro hormigón Cálculo de la transmitancia (U) Se suele aplicar en: muros de fachada, cubiertas, suelos en contacto con el aire exterior y puentes térmicos integrados en los cerramientos anteriores cuya superficie sea mayor a 0.50 m2 Y se calcula de la siguiente manera: U (W/m²K) = 1 / RT RT (m²K/W) = Rsi + R1 + R2 + … + Rn + Rse (RT: resistencia térmica total de un cerramiento) Rsi y Rse se obtienen de la tabla E.1; 52 Rsi= 0,13 m²K/W Rse= 0,04 m²K/W R1, R2, Rn se calculan de la siguiente manera: R1= e1/λ1 e1: espesor (en metros) de la capa 1 λ1: conductividad térmica del material (en W/mK) R1(R de pladur)= 0,015m / 0,18W/mK= 0,083m²K/W R2(R de aislamiento térmico)= 0,03m / 0,038W/mK= 0,79m²K/W R3(R de enfoscado)= 0,015m / 1,40W/mK= 0,01m²K/W R4(R de BHV de 20)= 0,20m / 0,46W/mK= 0,43m²K/W R5(R de enfoscado)= 0,015m / 1,40W/mK= 0,01m²K/W RT(m²K/W) = Rsi + R1 + R2 + … + Rn + Rse = 0,13 m²K/W + (0,015 / 0,18) + (0,03 / 0,038)+(0,015/1,40) + (0,20 / 0,46) + (0,015/1,40) + 0,04 m²K/W = 1,49 m²K/W U (W/m²K) =1 / RT= 1 / 1,49m²K/W= 0,67 W/m²K - Para zona climática A3 (Las Palmas de Canaria), la transmitancia límite de muros de fachada (UMlím) = 0,94 W/m²K - Para zona climática B3 (Palma de Mallorca), la transmitancia límite de muros de fachada (UMlím) = 0,82 W/m²K - Para zona climática C1 (Pontevedra), la transmitancia límite de muros de fachada (UMlím) = 0,73 W/m²K - Para zona climática D1 (Pamplona), la transmitancia límite de muros de fachada (UMlím) = 0,66 W/m²K 0,67 W/m²K < 0,94; CUMPLE para zona climática A3 0,67 W/m²K < 0,82; CUMPLE para zona climática B3 0,67 W/m²K < 0,73; CUMPLE para zona climática C1 0,67 W/m²K > 0,66; NO CUMPLE para zona climática D1 53 Comprobación de la condensación superficial Se debe comprobar en: muros de fachada, muros medianeros, cubiertas, puentes térmicos integrados en fachada cuya superficie sea mayor a 0,50 m² (son puentes térmicos integrados los pilares en fachada, los contornos de huecos, las cajas de persianas y similares) y suelos en contacto con el aire. Según el método que indica la CTE, tenemos que comprobar que fRsi (factor de temperatura superficial interior sea mayor que fRsi, mín (factor de temperatura de la superficie interior mínimo): FRsi, mín se obtiene de la Tabla 3.2 del DB HE 1 ahorro de energía. Para zona climática A3 y espacios de higrometría 3 o inferior, fRsi, mín= 0,50 Para zona climática B3 y espacios de higrometría 3 o inferior, fRsi, mín= 0,52 Para zona climática C1 y espacios de higrometría 3 o inferior, fRsi, mín= 0,56 Para zona climática D1 y espacios de higrometría 3 o inferior, fRsi, mín= 0,61 fRsi= 1-(U∗0,25) U = 0,67 W/m²K fRsi= 1-(0,67 W/m²K∗0,25) = 0,83 W/m²K 0,83 W/m²K > 0,50 W/m²K; NO CONDENSA en zona A3 0,83 W/m²K > 0,52 W/m²K; NO CONDENSA en zona B3 0,83 W/m²K > 0,56 W/m²K; NO CONDENSA en zona C1 0,83 W/m²K > 0,61 W/m²K; NO CONDENSA en zona D1 Comprobación de condensaciones intersticiales Se deberá comprobar en los muros de fachada, muros medianeros, cubiertas, puentes térmicos integrados en fachada cuya superficie sea mayor a 0,50 m² (son puentes térmicos integrados en los pilares en fachada, los contornos de huecos, las cajas de persianas y similares) y suelos en contacto con el aire. Realizaremos el cálculo por semejanza de triángulos donde deberemos comprobar que el porcentaje de humedad relativa en un punto intermedio de un cerramiento es inferior al 100% (no condensa). Podemos ver una figura que representa el cálculo por semejanza de triángulos en la figura 11. 54 Fig.11 Calculo por semejanza de triángulos Fig.12 Cálculo de la resistencia a la difusión del vapor de agua Cálculo de Pe y Pi (mediante ábaco psicrométrico): (Se recomienda el cálculo de las presiones de vapor mediante el ábaco psicrométrico, teniendo en cuenta que en el ábaco las presiones se dan en mbar y tenemos que pasarlas a Pa.) Pe: presión de vapor del aire exterior, en Pa (pascales) Pi: presión de vapor del aire interior, en Pa (pascales) (1 mbar = 100 Pa) En el CTE obtenemos los siguientes datos del municipio, que si se trata de Las Palmas de Gran Canaria y de espacios de higrometría 3 o inferior, son: Zona climática A3 Temperatura exterior (θe)= 17,9ºC Temperatura interior (θi)= 20ºC Humedad relativa exterior (φe)= 66% Humedad relativa interior (φi)= 55% Pe= 13,6 mbar = 1360 Pa Calculamos Pi en Las Palmas de Gran Canaria entrando en el ábaco psicrométrico con los valores ya conocidos de θi= 20ºC y φi= 55% Pi= 12,8 mbar = 1280 Pa Cálculo de la resistencia a la difusión del vapor de agua (S): La resistencia a la difusión del vapor de agua en cada capa de un cerramiento depende de la resistividad del material que conforma dicha capa y del espesor de ésta, de forma que la resistencia de cada capa es el resultado de multiplicar la resistividad por su espesor en metros (S1 = e1 ∗ µ1). Como podemos ver en la figura 12 se hace referencia a esas secciones S1, S2, S3 las cuales estamos aquí tratando. S1 = e1 ∗ µ1 ∑S=ST=S1+S2+S3 55 Podemos encontrar valores de factores de resistencia a la difusión del vapor de agua (µ) en el libro VIVIENDA-DAV-HE S1(S de panel de pladur)= 0,015 m∗4= 0,06m S2(S de aislamiento térmico EPS tipo III)= 0,03 m∗20= 0,60m S3(S de enfoscado)= 0,015m∗10= 0,15m S4(S de BHV20)= 0,20m∗6= 1,20m S3(S de enfoscado)= 0,015m∗10= 0,15m ∑S=ST=S1+S2+S3+S4+S5= 0,06m + 0,6m + 0,15m + 1,20m + 0,15m = 2,16m Cálculo de la Presión de vapor (P) en cualquier punto del cerramiento (punto A): 𝑃𝑒−𝑃𝑖 ∑S = 𝑃𝐴−𝑃𝑖 S1+S2 (de esta fórmula despejamos PA) PA= Pi + ((Pe-Pi / ∑S)∗(S1+S2+S3)= 12,8mbar + ((13,6mbar-12,8mbar / 2,166m) ∗ (0,06m + 0,60m + 0,15m) = 13.09 mbar Cálculo de la Temperatura (θ) en cualquier punto del cerramiento (punto A): θi – θe RT = θi – θA RSi+R1+R2 (de esta fórmula despejamos θA) θA= θi - ((θi-θe) / RT)∗(Rsi+R1+R2+R3))= 20ºC - ((20ºC – 17,9ºC) / 1,49 m²K/W)∗(0,13 m²K/W + 0,083 m²K/W + 0,79 m²K/W + 0,010 m²K/W)) = 18,5ºC Con los valores obtenidos de θA (18,5ºC) y PA(13,09mbar) vamos a un ábaco psicrométrico y obtenemos el % de humedad relativa en el punto A = 61%. Si este valor es inferior a 100%, significa que no condensa; 61%<100%, por tanto NO CONDENSA. Diseño según las condiciones climatologías de Canarias En este apartado estableceremos el limite inferior y superior de la zona de confort los cuales podremos establecer segun las figuras 13 y 14 para un diseño de vivienda según las condiciones climatologias de Canarias, ademas de hablar sobre la importancia de las velocidad del viento y su relacion con el confort, hablaremos sobre la importancia de una optima orientacion y de la radiacion solar. Límite inferior de la zona de confort El límite inferior de la zona de confort, 21,5 ºC, establece una separación por encima de la cual es necesaria la utilización de la protección solar y por debajo de la cual se necesita radiación. A partir de este límite y hacia arriba la zona de bienestar asciende con el movimiento del aire y desciende por radiación solar. Límite superior de la zona de confort El límite superior de la zona de confort, se ha fijado en 28°C con humedades relativas medias de hasta un 50%, disminuyendo gradualmente cuando la humedad aumenta [157]. 56 Las temperaturas límite del rango de confort se calculan de acuerdo con la categoría II de la norma europea EN 15251 [160], de adecuado con los nuevos edificios. Fig. 13. Carta bioclimática de Olgyay (28º latitud Norte) Fig. 14. Carta bioclimática de Givoni (28º latitud norte) Las gráficas de las figuras 12 y 13 están adaptadas a las condiciones Canarias, y son válidas en regiones templadas (latitud 28°, altitud media 300 m), en condiciones de exterior [157]. Influencia de la velocidad del viento en el confort La velocidad del viento (siempre dentro de los valores que no producen molestias) influye también en la reducción de la sensación de calor. Con una humedad constante, para reducir la sensación de calor en 1 °C es necesario un aumento en la velocidad del viento de 0,5 m/s (1,8 km/h) si las temperaturas están entre los 25 °C y los 30 °C y de 1 m/s (3,6 km/h) si están entre los 30 °C y los 35 °C. [157]. Cartas de radiación solar Las necesidades de radiación varían según las condiciones de cada lugar y edificio. Por medio de las cartas de radiación solar como podemos ver en la figura 15, es posible determinar la cantidad de la misma que incide en una determinada superficie según día, hora, latitud, orientación e inclinación del plano incidido 63 Fig.20 Plano que muestra los sistemas pasivos de protección y captación de energía solar La orientación está diseñada para favorecer la ventilación natural y la protección del calor del sol, como podemos ver en la figura 21. Fig.21. Plano que muestra recorrido del viento para favorecer la ventilación natural a través de un diseño pasivo. 64 Conclusiones y líneas futuras Después de consultar cerca de 300 artículos y de haber seleccionado para este trabajo final de máster más de 150 artículos sobre los edificios de consumo de energía casi nulo y su multitud de variantes, donde se discuten las implicaciones del desarrollo sostenible, la metodología aplicable.... Las conclusiones son: - Hay un creciente interés en el potencial de los ZEBs para ayudar a aliviar los problemas relacionados con el agotamiento de los recursos energéticos y el deterioro del medio ambiente. En términos generales, los ZEBs implican dos estrategias: La de minimizar la necesidad de uso de energía en los edificios a través de medidas de eficiencia energética y tecnologías de energía renovable que se adoptan (energías renovables y otras tecnologías) para satisfacer las necesidades de energía restantes. Entre las medidas de eficiencia energética, se han identificado varias características sobresalientes. - En primer lugar, el aislamiento térmico es menos efectivo en el enfriamiento de edificios con grandes cargas de calor internas en los climas más cálidos. Se debe prestar atención para evitar el exceso de aislamiento, lo que podría dar lugar a un aumento en el uso de energía para el espacio acondicionado. - En segundo lugar, los techos reflectantes / verdes podrían no ser apropiados para los ZEBs debido a las necesidades de espacio en el techo generando un conflicto con las energías renovables, como paneles fotovoltaicos y aerogeneradores. - En tercer lugar, la iluminación natural y los recientes avances en las tecnologías de iluminación (por ejemplo, balastos electrónicos regulables, controles digitales y lámparas LED) tienen un gran potencial de ahorro de energía. En este campo se necesita más trabajo. - En cuarto lugar, se necesitan más encuestas de ocupación para establecer un rango de temperatura de interior más amplio para cada zona. - Las tecnologías de energía renovable cubren fotovoltaica / fotovoltaica integrada en el edificio, los aerogeneradores, solar térmica (calentadores de agua solares), bombas de calor y calefacción / refrigeración. En general, la mayoría de las tecnologías de energía renovable están bastante bien establecidas. Sin embargo, la amplia difusión de los aerogeneradores y paneles fotovoltaicos puede causar, entre otras cosas, la inestabilidad y poner en peligro la calidad de la estructura de la red eléctrica existente. Los ZEBs idealmente debe ser diseñados 65 para funcionar en sinergia con la red eléctrica local y no perturbar la estabilidad de la infraestructura eléctrica existente. Se requiere más trabajo en "redes inteligentes" y estabilidad de la red. - Los ZEBs jugarán un papel cada vez más importante en el desarrollo sostenible. Para mejorar esto, se requieren más trabajos en tres áreas: costos del ciclo de vida y análisis de impacto ambiental, en el cambio climático, y de política social. Realizando este trabajo también nos hemos encontrados con varios “retos” en los cuales se deberían establecer líneas futuras de investigación. - Un aspecto desafiante de los ZEBs es la comprensión, la incorporación y optimización del suministro de energía y los mecanismos de demanda de las futuras ciudades inteligentes. Una vez establecidas las ciudades inteligentes, los ZEBs se deberían anticipar no sólo al entendimiento de las características de funcionamiento de la ciudad, tales como la morfología, sino también abarcar las futuras redes de energía y el cambio entre las cargas térmicas y eléctricas, para dar cabida a la generación de energías renovables y a la cogeneración [52]. - Los ZEBs contribuirán de manera significativa a las ciudades inteligentes en la eficiencia energética, en el ahorro de energía, y en los aspectos de generación de energías renovables. La revisión de los trabajos científicos del pasado indica que los edificios pueden hacer la transición a ZEBs mediante la reducción de su consumo de energía, al menos dos tercios en comparación con su consumo de energía actual. Aun así se deberían crear protocolos o guías metodológicas que pudieran hacer ver claramente el ahorro exacto de energía que se obtendría por la reforma de una vivienda existente o por la construcción de un nuevo ZEBs. - Hay puntos controvertidos en cuanto a la sostenibilidad de los ZEBs, incluyendo el análisis de ciclo de vida (ACV), el efecto rebote, así como las consideraciones del cambio climático, todos los estos requieren de mayores esfuerzos para su investigación y desarrollo. La mayoría de los estudios tiene en cuenta sólo la energía durante la fase de uso del edificio, mientras que de la energía necesaria, incorporada a los materiales de construcción apenas ha tenido atención en la literatura. La investigación adicional también debe fomentar la actitud social de los residentes de los edificios hacia el medio ambiente y el desarrollo sostenible, de modo que se evite el efecto rebote. El objetivo clave de la futura mejora de los ZEBs es su interacción activa con las redes de energía urbanas mediante el empleo de sistemas automatizados, nuevos diseños de parámetros y algoritmos de aprendizaje. 66 Referencias Bibliográficas [1] European Commission. Proposal for a recast of the energy performance of buildings directive (200291-EC). SEC (2008)2865, Brussels; 2008. [2] Pătrașcu Gh. Arhitectura și tehnica populară (Folk technique and architecture). Editura Tehnică, Bucharest; 1984. [3] A’zami A. Badgir intraditional Iranian architecture. In: Proceedings of international conference on passive and low energy cooling for the built environment, Santorini, Greece; 2005. [4] Sayigh A, Hamid Marafia A. Thermal comfort and the development of bioclimatic conceptin building design. Renew Sustain Energy Rev 1998; 2 (1– 2): 3–24. [5] The Ceramic Society of Japan. Advanced Ceramic Technologies &Products. Springer, Tokyo; 2012. [6] Sear F. Roman architecture. 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