El 40% del consumo total de energía a nivel mundial, viene de los edificios. Los sistemas regulados que más contribuyen al gasto energético son los sistemas de iluminación y sistemas de confort térmico. Un sistema de confort térmico puede ser para suministrar calor o retirar calor dentro de un recinto o espacio determinado (coloquialmente, calefacción y aire acondicionado).
El consumo porcentual de un equipo de calefacción dentro de un edificio puede ser hasta del 44% mientras que el de un sistema de aire acondicionado alcanza un 45% de acuerdo con el Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía, en España (IDAE) y la Encuesta Nacional de Consumos de Energéticos en VIVIENDA, México (ENCEVI). En México, en promedio, los sistemas de aire acondicionado y calefacción operan regularmente entre 5 y 9 horas al día, lo cual deja en claro que a todos nos gusta estar en un recinto con confort térmico.
Por lo mismo, es importante seleccionar materiales con propiedades térmicas de conductividad térmica, opacidad y coeficiente de ganancia de calor. Ello y con base a la ubicación y cargas térmicas de un edificio puede mejorar su desempeño energético hasta un 20% y reducir el costo de operación hasta un 40%. Es decir, tener el envolvente adecuado permite reducir la operación de los sistemas de confort térmico.
¿Cómo mantener el confort térmico dentro de un recinto?
Para comprender más estos argumentos primero hay que saber qué es confort térmico. De acuerdo con ASHRAE 55-2020 (Estados Unidos), el concepto se define como una condición de la mente que expresa satisfacción con el ambiente térmico y es evaluado subjetivamente.
Los principales factores que deben ser identificados para proveer confort son los siguientes:
1.-Metabolismo
2.- Vestimenta
3.- Temperatura radiante
4.- Temperatura del aire
5.- Velocidad del aire
6.- Humedad
Estos factores pueden variar con el tiempo y posición de las personas, las cuales al entrar o salir de un recinto siempre tendrán sensación de un cambio de confort.
Dentro de un recinto, los sistemas de aire acondicionado y calefacción nos pueden ayudar a mitigar los factores de los puntos 4 al 6, mientras que los factores 2 y 3 dependen del tipo de ropaje que utilice la persona. Traducido esto a un recinto, se puede decir que tal ropaje representa el envolvente o aislante de la construcción, también llamado elemento constructivo, el cual puede llegar a ser clave para hacer un edificio más eficiente mediante la reducción del consumo energético de los equipos de confort.
Importancia de la selección de una configuración de envolvente adecuada.
A través de simulación energética se puede demostrar que utilizar envolventes cuyas propiedades no son las adecuadas para un clima en específico, es un factor crítico en el desempeño energético de un edificio y como consecuencia afecta el costo de operación.
Caso práctico: Tenemos un centro comercial que consiste en aproximadamente 20 locales comerciales, distribuidos en 2 niveles y con un área de estacionamiento, constituyendo un área de 14,000 metros cuadrados. Este proyecto está ubicado en Centroamérica, en una ciudad donde predomina el clima tropical húmedo y la temperatura ambiente promedio es de 27°C. Sin embargo, en verano puede alcanzar hasta los 40°C. Claramente, un edificio ubicado en un área cuyo clima tiene estas características, requiere sistemas de confort.
También, a este centro comercial se le ha invertido un sistema de iluminación interior y exterior, ambos altamente eficientes con una demanda energética anual de 265,275 KWh, y un sistema HVAC de última generación con una gran eficiencia energética y dimensionado para las ocupaciones de nuestro edificio y clima. Sin embargo, para reducir costos de construcción proponen dos configuraciones de envolvente, la primera con características térmicas que están un 30% por debajo del recomendado para este clima y la segunda, una configuración seleccionada por cumplir reducción de costos y cuyas características térmicas seleccionadas no cumplen lo recomendado para el clima 2A. Tales características se muestran a continuación:
Si se analizan las opciones anteriores y si optamos por la configuración 2 con peor desempeño tendríamos las siguientes consecuencias:
- Aumento en los gastos operativos de nuestro edificio.
- El sistema HVAC puede no cumplir con el confort requerido.
- Aumento del consumo de energía del sistema HVAC para cumplir con la demanda de refrigeración y calor dentro del recinto.
- Un edificio de bajo desempeño energético y con costos de operación elevados.
Esto se aprecia en un comparativo de simulaciones energéticas mostrado en la gráfica 1, en donde los consumos energéticos de nuestro edificio cuyos sistemas regulados son idénticos con excepción de la envolvente. Se observa que el desempeño energético del edificio puede reducir hasta un 18% solo por utilizar el envolvente de configuración 2 y no utilizar envolventes adecuados para el clima 2A, donde se ubica el proyecto, mientras que utilizar un envolvente de condiciones relajadas nos reduce el desempeño energético un 16%.
Si se quisiera certificar nuestro edificio en LEED Core & Shell y partiéramos de una línea base siguiendo lineamientos correspondientes, nuestro edificio base tendría un consumo de energía de 858,701 KWh por año. Incluyéndolo en el comparativo anterior se observaría que, claramente, aunque nuestro edificio diseñado tiene sistemas de iluminación y aire acondicionado eficientes, su ahorro energético respecto al de línea base es mínimo obteniendo solo un 2.7%. Lo mismo se refleja en los envolventes relajados, un 30% de configuración 1, los que permiten obtener un 4.4% de ahorro en costos. Ambas configuraciones representan un bajo desempeño con respecto a los de configuración de clima 2A, los cuales alcanzan hasta un 15.1%, como se muestra en la gráfica 2
Impacto en costos.
Si analizamos los ahorros en costos, la configuración 2 coloca en riesgo la certificación LEED debido a que no permite obtener un ahorro en costo mayor al 3%, el mínimo requerido para cumplir la certificación LEED Core & Shell de acuerdo con el gráfico 3, el cual tiene un comportamiento muy similar al gráfico 2. Considerando estos datos entonces vale la pena realizar una evaluación de los envolventes al momento de su selección que no solo impacte en temas de resistencia y/o estéticos, lo cual a largo plazo puede ser muy costoso.
Si evaluamos las tasas de ahorro en un plazo de 20 años, entre los diferentes edificios propuestos y la línea base, podemos observar que durante este tiempo, comparado con el caso base del edificio que cuenta con la configuración de envolvente al clima 2A y cuyo ahorro es del 17.1% (es decir $130,977 dólares), tiene mayor ahorro neto al final de este periodo de tiempo alcanzando $737,108 y representando un 40% más de ahorro en comparación con la configuración 1, la cual alcanza un ahorro neto de $436,968, mientras la configuración 2 tiene un ahorro durante el primer año de $20,490 y después de 20 años un ahorro neto de $313,469, es decir un 57% menor que el de la configuración de envolvente del clima 2A. Podemos apreciar cómo el comportamiento de la brecha de ahorro es considerable en el gráfico 4.
Conclusiones.
La selección de un sistema envolvente adecuado permite la reducción del consumo energético de los sistemas de confort, lo cual a su vez nos permite obtener un ahorro por encima de la mitad.
La selección de un elemento constructivo no solo se basa en el tipo de clima donde se ubique el proyecto sino también en las cargas que generan calor dentro del recinto.
Si nuestro proyecto busca una certificación LEED es necesario evaluar desde el diseño el tipo de envolvente que tiene nuestro edificio ya que, aunque se tengan sistemas eléctricos y de confort eficiente, una mala selección de envolvente puede ser un asunto crítico al momento de cumplir con los ahorros requeridos.
La implementación de simulación energética nos puede beneficiar en la toma de decisiones porque nos permite la comparativa de costos de operación de un edificio, lo que a su vez nos permitiría contraponer los costos de construcción o instalación de un material aislante y o cristal.
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Ashley Bautista
Modelador de Energía
Licenciado en Arquitectura. Especialista en Modelado Revit MEP por DGCenter. Se especializa en las tecnologías de la arquitectura, donde su desarrollo profesional ha girado en torno a la metodología BIM, aplicado al modelado y gestión de proyectos arquitectónicos y de instalaciones (MEP), donde ha participado en proyectos nacionales.
