Análisis de costo-beneficio de estrategias de climatización pasiva en vivienda social en Ciudad Juárez, Chihuahua

Introducción

El análisis de costo de ciclo de vida (ACCV), que en términos sencillos puede interpretarse como un análisis de costo-beneficio para la producción de bienes y servicios, es un tema fundamental para conocer la viabilidad económica de los proyectos que integran propuestas pasivas o de ahorro energético.

En la actualidad las propuestas arquitectónicas bioclimáticas, como la aplicación específica de estrategias de climatización pasiva, se suponen esenciales para un modelo productivo que tenga entre sus objetivos el ahorro o el gasto inteligente. Sin embargo, por lo regular dichas estrategias sólo se valoran desde el punto de vista del ahorro energético y pocas veces son consideradas desde la viabilidad económica durante todo el ciclo de vida.

Este trabajo de investigación parte de la pregunta: ¿cuál es el ahorro energético y económico que se deriva de la implementación de estrategias de climatización pasiva en la vivienda de interés social en Ciudad Juárez, en comparación con la inversión a largo plazo o la incertidumbre del retorno de la inversión inicial?

El objetivo general de este artículo es presentar los resultados de evaluar cinco estrategias de climatización pasiva, con la finalidad de determinar cuál estrategia es la más eficiente, ponderando el ahorro energético y el costo económico desde el punto de vista del habitante de vivienda social de 50.95 m² de construcción (Comisión Nacional de Vivienda [México], 2007: 51), ubicada principalmente en los linderos perimetrales de la traza urbana, en el clima cálido seco como es el caso de Ciudad Juárez, Chihuahua.

En este proyecto de investigación se aborda la problemática de viviendas ya construidas, partiendo de la premisa de que su forma arquitectónica no corresponde con el clima cálido seco de Ciudad Juárez, por ello se propone como eje rector de la investigación la reconversión de viviendas de interés social ya edificadas y que pueden encontrarse habitadas o abandonadas en toda la ciudad, especialmente los desarrollos en el borde suroriente de Ciudad Juárez.

Justificación

Comprender la problemática global en el marco del desarrollo sostenible e identificarla a nivel local, problematizar y proponer algunas alternativas que coadyuven a cumplir con los propósitos de éste, son algunas de las razones por las cuales esta investigación ha sido desarrollada con énfasis en la vivienda de interés social. De acuerdo con Maycotte . (2015: 9) , “Ciudad Juárez fue una de las principales ciudades receptoras de la política de vivienda del Gobierno federal puesta en marcha desde al año 2002, de forma tal que produjo el mayor número de vivienda económica a nivel nacional en cuatro ocasiones consecutivas”.

Esto se debe a que Ciudad Juárez tiene 1’242,841 habitantes (INEGI, 2015), que representan el 34.81% de la población total del estado de Chihuahua.

Además, cerca del 82% de la población económicamente activa tiene ingresos iguales o menores a 3.9 veces el salario mínimo (VSM), lo cual hace a esta población potencial beneficiario de financiamientos ofertados por instituciones públicas, principalmente Infonavit (Maycotte ., 2015: 9 ).

Podría pensarse que una población económicamente activa puede acceder a este tipo de viviendas que oferta el Instituto del Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (Infonavit), que es la institución gubernamental encargada de proporcionar vivienda digna para la clase trabajadora, lo cual no es del todo cierto, pues de acuerdo con datos del INEGI (2015), de las 490,670 viviendas particulares que se encuentran en Ciudad Juárez, 115,692 están deshabitadas y de éstas, 30 mil son viviendas financiadas por esta institución. Esta situación de abandono ha sido producto de que estas viviendas no responden a las necesidades espaciales y de ubicación que requieren sus habitantes, pues se localizan en áreas alejadas de la traza urbana y, además, no resuelven de manera adecuada las necesidades de refugio para el clima extremo del lugar (Herrera, Ordóñez y Peña, 2018).

En México, aproximadamente el 40% de los hogares viven en pobreza energética (García y Graizbord, 2016), entendida ésta como la situación en la que se encuentran las familias que destinan más del 10% de su ingreso familiar en pago de servicios (Boardman, 2013), específicamente en el pago de electricidad y gas. En términos generales un gasto superior al 10% del ingreso familiar pierde su poder adquisitivo, y las familias tienen una limitada capacidad de ahorro.

Por lo anterior, en esta investigación se aborda el eje económico del desarrollo sostenible, pues la mayoría de las investigaciones locales realizadas en analizar estrategias climáticas versan exclusivamente en torno al ahorro energético en la vivienda, centrándose básicamente en estudios sobre las características de los materiales (Velázquez, 2017), propuestas de nuevas técnicas y materiales que logren un buen diseño bioclimático (Esparza ., 2018; García-Solórzano ., 2020), y dejan de lado el tema de la factibilidad económica a largo plazo con datos cuantitativos verificables.

Vivienda y sostenibilidad

Actualmente resulta imprescindible abordar el tema de sostenibilidad en relación con problemáticas de la forma construida, en este caso la vivienda de interés social. En el año 1983, en el seno de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) surgió la Comisión de Desarrollo y Medio Ambiente con la intención de comprender el fenómeno de crecimiento económico y el medio ambiente, proponer acciones y evaluar los respectivos resultados.

En 1987 esta comisión publicó un informe titulado Nuestro futuro en común (Brundtland, 1987), en el cual se instaura el concepto contemporáneo de desarrollo sostenible con la siguiente descripción: “[…] El desarrollo sostenible requiere satisfacer las necesidades de todos y extender a todos la oportunidad de satisfacer sus aspiraciones a una vida mejor […]” [Sustainable development requires meeting the basic needs of all and extending to all the opportunity to satisfy their aspirations for a better life] (Brundtland, 1987: 37), principio que a partir de ese momento se introdujo en distintas disciplinas del conocimiento como un enfoque específico para abordar problemáticas particulares.

Cuando hablamos de vivienda social y proponemos alternativas de diseño, es imperativo pensar en desarrollo sostenible. Ya no podemos considerar un proyecto de vivienda ajeno a las situaciones económicas que afectan nuestro país y al mundo. Ya no podemos cerrar los ojos y creer que las acciones u omisiones de diseño no tienen impacto en el medio ambiente. No podemos construir sin considerar la problemática social y calidad de vida del futuro usuario. Cuando diseñamos, debemos abordar la solución desde esta perspectiva, sólo así es que un proyecto de vivienda se puede considerar completo e integral. Esto favorecerá que las ciudades sean más sostenibles y que vayan a la par con los objetivos del desarrollo sostenible a nivel global.

Considerar el impacto de este número de viviendas debe ser primordial en la agenda de todos los países. Por estas razones, el tener en cuenta una estrategia sostenible en el momento de planear, diseñar y construir es la oportunidad de mejorar la calidad de vida de millones de personas en México. Al incluir en el diseño de la vivienda de interés social conceptos de adecuación climática y estrategias de climatización pasiva de acuerdo con los requerimientos específicos de cada lugar, permite que los habitantes puedan estar más tiempo en su zona de confort a un menor costo energético.

Análisis del costo de ciclo de vida

La incertidumbre de los resultados a largo plazo en la implementación de estrategias de climatización pasiva es una de las primeras disyuntivas con que se encuentra el usuario; sin embargo, el método del ACCV es una herramienta económica que nos puede ayudar a la toma de decisiones presentes a futuro. Existen metodologías globalmente aceptadas como la desarrollada por Fuller y Petersen (1996) que sirve como guía para entender la metodología del costo de ciclo de vida y criterios establecidos por el programa federal de gestión de energía para la evaluación económica de proyectos de conservación de energía y agua, y proyectos de energía renovable en un edificio federal en Estados Unidos y que puede aplicarse en análisis de costo-beneficio en otro tipo de edificios.

El análisis de costo-beneficio debe incluir la visualización de cuál alternativa o estrategia pasiva es la mejor; por ejemplo: aislación térmica en techo, aislación térmica en muros, ventanas doble vidrio en la vivienda, entre otras; todas estas alternativas deberán plantearse y analizarse antes de comenzar la reconversión de la vivienda. Asimismo se toman en cuenta la evaluación de niveles de eficiencia, método ahorro-inversión, criterios para asignar prioridades, costo de oportunidad, evaluación social, efectos indirectos como menor emisión de CO₂, puntos de vista del ahorro energético, hasta llegar a la evaluación de si estos proyectos son justificables económicamente según el costo de vida útil determinado.

Metodología y herramientas

La investigación desarrollada se aplicó a un modelo de vivienda de 50.95 m2, bajo un esquema metodológico de tipo cuantitativo con análisis causa-efecto, por medio de simulación, que pone énfasis en el uso de modelos y analogías (Groat y Wang, 2002) (véase tabla 1).

Caso de estudio

La vivienda de estudio se encuentra ubicada en el área periférica al suroriente de Ciudad Juárez, en el fraccionamiento Pedregal de San Isidro III, etapa II. Forma parte del desarrollo de viviendas económicas desarrolladas masivamente a partir del año 2005.

El sistema constructivo es el siguiente: muros de bloque de concreto medio de 0.15 m de espesor, con acabados de mortero a base de cemento: arena de 0.025 m de espesor al exterior y yeso de 0.015 m de espesor al interior. Cubierta a base de vigueta y bovedilla con casetón de 0.15 m de espesor con acabado interior de yeso de 0.15 m de espesor e impermeabilizado con asfalto de 0.01 m de espesor al exterior. El piso interior es de concreto armado de 0.10 m de espesor. Las puertas exteriores de madera densa de 0.006 m de espesor. Por último, las ventanas de vidrio sencillo de 0.003 m de espesor.

Simulación térmica

Para la simulación se utilizó el programa Desing Builder 6.0. Este programa proporciona los datos del desempeño ambiental requeridos para la investigación, tales como: consumo de energía por climatización del edificio, ventilación natural, protección de radiación solar directa, temperaturas máximas y mínimas de los espacios (DesingBuilder®, 2010).

DesignBuilder® utiliza EnergyPlusTM como herramienta de cálculo para la simulación dinámica. Para los datos meteorológicos se utilizó el archivo epw mex_chh_Ciudad.Juarez-Gonzalez. Intl.AP.760753_TMYx.2004-2018.zip (Onebuilding.org, 2020).

El periodo de análisis: del 01 de enero al 31 de diciembre, además se hizo un estudio para el periodo cálido (mayo a septiembre) y otro para el periodo frío (noviembre a marzo).

Se consideró el caso de estudio como modelo base, el cual será comparado con cada una de las estrategias pasivas a evaluar.

Análisis de costo-beneficio

El análisis de costo-beneficio es una herramienta de evaluación de proyectos, útil para evaluar si un proyecto producirá beneficios superiores a sus costos y de esta manera determinar, entre varias alternativas válidas para conseguir un propósito, cuál obtiene los beneficios buscados con el menor costo y cuál produce el mayor beneficio neto para la economía en conjunto.

Son seis los pasos que se deben considerar para llevar a cabo el análisis de costo-beneficio:

El análisis de costo-beneficio se hizo desde el punto de vista del habitante a un periodo de estudio de 30 años, por el tiempo de vida del bien inmueble y por la duración del crédito que asume el habitante para su adquisición. La tasa de inflación para la energía eléctrica se consideró del 5% de acuerdo con el índice nacional de precios al consumidor (INPC) (Banxico, 2020). La tasa de interés nominal (bruta) bancaria utilizada fue de 4.22% (Banxico, 2020), y una tasa de inflación de 4.03% (INEGI, 2010).

Criterios de selección de estrategias de climatización pasiva

Para la selección de las estrategias de climatización pasiva a evaluar se consideró lo siguiente:

De acuerdo con lo anterior, las estrategias de climatización pasiva a evaluar son las siguientes: protección solar en ventanas, uso de doble vidrio, aislamiento adicional en cubierta, aislamiento en muros y todas las estrategias integradas.

Desarrollo

El clima de Ciudad Juárez es cálido seco extremoso, con una temperatura promedio anual de 21.1° C, mínima promedio de 15.7° C y máxima promedio de 26.8° C. El promedio anual de precipitación para Ciudad Juárez es de 243.6 mm; los mese más lluviosos son julio, agosto y septiembre (IMIP, 2016). La humedad relativa anual es de 40.4%, la mínima promedio de 24.5% y la máxima promedio 59.1%.

El análisis indica que en Ciudad Juárez se presentan tres temporadas o periodos climáticos en el transcurso del año: invierno, transición y verano. La duración del invierno es de cuatro meses, desde noviembre hasta febrero y se caracteriza por tener temperaturas frías. El verano, con un clima cálido seco, permanece por cinco meses de mayo a septiembre. La temporada de transición entre el invierno y el verano se presenta en los meses de marzo, abril y octubre y se caracteriza por tener un clima templado.

El diagnóstico bioclimático de Ciudad Juárez nos indica las siguientes estrategias de climatización pasiva (véase figura 1):

De acuerdo con las características constructivas de la vivienda seleccionada para este proyecto de investigación, con la capacidad económica de los habitantes y que ya se encuentra construida, se definieron los siguientes modelos de estudio, cada uno de ellos con diferente dispositivo o elemento arquitectónico de algunas de las estrategias de climatización pasiva requeridas para el clima de Ciudad Juárez.

Los modelos para evaluar son los siguientes:

Resultados

Resultados del consumo energético por climatización

En el periodo cálido todas las estrategias de climatización pasiva evaluadas redujeron el consumo de energía eléctrica en comparación con el modelo base. El modelo más eficiente es el TA (todas las estrategias), que alcanza un ahorro energético del 98.80%. Le sigue el modelo am (asilamiento en muro) con un ahorro de 94.63%. Luego el modelo ac con un ahorro de 64.76%. Le sigue el modelo DV (doble vidrio) con 53.95%.

El modelo con la estrategia más ineficiente fue el AP (aleros y partesoles) con sólo 3.82%. Estos resultados nos demuestran que al integrar todas las estrategias pasivas se alcanzan los mayores ahorros energéticos y, además, nos permite señalar que para el clima cálido seco de Ciudad Juárez es posible en muchas ocasiones prescindir del clima artificial para este tipo de vivienda (véanse tabla 2 y figura 2).

En el periodo frío no todas las estrategias de climatización pasiva evaluadas redujeron el consumo de gas en comparación con el modelo base. El modelo más eficiente es el TA (todas las estrategias), que alcanza un ahorro energético del 87.96%. Le sigue el modelo am (aislamiento en muro) con un ahorro de 82.71%. Luego el modelo ac con un ahorro de 73.04%. Le sigue el modelo DV (doble vidrio) con 70.77%. El modelo con la estrategia más ineficiente fue el AP (aleros y partesoles) con un ahorro de 39.11% (véanse tabla 2 y figura 3).

Resultados del análisis del costo-beneficio

Para obtener un rendimiento a futuro, considerando la opción de depositar en el banco el monto total del costo de inversión de la aplicación de las estrategias de climatización pasiva a plazo fijo, con una tasa nominal de 4.22% y considerando una inflación propuesta de 4.03%, se calculó a 30 años tomando en cuenta la tasa de descuento real. En tanto que la tasa de descuento para la inversión y energía eléctrica, respectivamente, y el cálculo de valor futuro, se realizó tomando en cuenta la tasa de descuento real.

El costo total del consumo de energía a 30 años del MB (modelo base), considerando que no hay costo de inversión pues a este modelo no se le aplica ninguna estrategia pasiva, asciende a $290,984.98 pesos, valor actualizado a moneda constante según el análisis del costo-beneficio (véase tabla 3).

El modelo más eficiente desde el punto de vista económico es el am (aislamiento en muro), el cual tiene un costo total de inversión y consumo energético de $122,244.61 pesos. Esto representa un ahorro de $168,740.37 pesos en comparación con el MB. Si restamos el rendimiento de inversión que podría darnos el banco, se obtiene un ahorro neto de $196,216.99 pesos (véase tabla 3).

Le sigue el modelo DV (doble vidrio), con un costo de inversión y consumo energético de $108,687.02 pesos, que representa un ahorro de $189,973.27 pesos en comparación con el MB. Si restamos el rendimiento de inversión que podría darnos el banco, se obtiene un ahorro neto de $189,269.23 pesos. Después en tercer lugar de ahorro se encuentra el modelo ac (aislamiento en cubierta), con un costo de inversión y consumo energético de $108,687.02 pesos, lo que representa un ahorro de $182,297.96. Si restamos el rendimiento de inversión que podría darnos el banco, se obtiene un ahorro neto de $180,611.57 (véase tabla 3).

El modelo TA (todas las estrategias) se encuentra en el cuarto lugar de eficiencia en comparación con el MB, pues tiene un costo de inversión y consumo energético de $122,244.61 pesos, que representa un ahorro de $168,740.37 pesos. Si restamos el rendimiento de inversión que podría darnos el banco, se obtiene un ahorro neto de $163,709.00 (tabla 3).

El modelo AP es el que tiene la menor eficiencia de todos, pues tiene un costo de inversión y consumo energético de $186,950.72 pesos, que representa un ahorro de $104,034.26 pesos. Si restamos el rendimiento de inversión que podría darnos el banco, se obtiene un ahorro neto de $103,890.12 pesos (tabla 3).

El modelo base (MB) tiene un costo mayor del 63.36% comparado con la mejor alternativa (AM), esto quiere decir que la vivienda en el estado actual representa una pérdida excesiva en el gasto familiar, que puede ser sustituida por una ganancia o ahorro a largo plazo si se implementa cualquiera de las alternativas propuestas (figura 4).

Categorización de las estrategias según tiempo de retorno

De acuerdo con la inversión para la aplicación de las estrategias pasivas en cada uno de los módulos y considerando el ahorro energético de cada una de ellas a 30 años, se calculó el tiempo de retorno de la inversión.

El módulo con aleros y partesoles (AP) tiene un tiempo de retorno de un año, es el tiempo más corto en comparación con el resto de las estrategias; sin embargo, el ahorro energético a 30 años fue el más ineficiente (figura 5).

El módulo de doble vidrio (DV) tiene un tiempo de retorno de tres años y le sigue el asilamiento en cubierta (AC) con cinco años. Ambos módulos no representan la mejor eficiencia en el ahorro energético ni en el costo-beneficio (figura 5).

Los dos módulos con mejor comportamiento en ahorro energético y en el análisis costo-beneficio: todas las estrategias (TA) y aislamiento en muros (AM) tienen un tiempo de retorno de 12 y siete años, respectivamente.

No obstante que en ahorro energético todas las estrategias (at) fue el más eficiente en comparación con el aislamiento en muros, en términos de ahorro neto y tiempo de retorno no lo es, pues tiene un tiempo de retorno de más de cinco años y un ahorro neto menor en 16% (figura 5).

Conclusiones

Todas las estrategias de climatización pasiva evaluadas tienen un ahorro energético en ambos periodos climáticos de estudio: cálido y frío. La estrategia más eficiente en ambos periodos fue la de todas las estrategias aplicadas (TA), con ahorros de 98.8 y 87.96% respectivamente.

El análisis de costo-beneficio nos demostró que la estrategia con mayor ahorro neto es el aislamiento en muros (AM), y la de menor ahorro la de aleros y partesoles (AP).

El análisis comparativo del ahorro energético y el tiempo de retorno de la inversión es el modelo de aislamiento en muros, que tiene un ahorro de $196,216.99 con un tiempo de retorno de siete años (figura 6).

Al analizar y evaluar la aplicación de estrategias de climatización pasiva desde el punto de vista del costo-beneficio se abre un panorama económico poco explorado a nivel local, por lo que su consideración sin duda traerá consigo la consolidación de proyectos sostenibles.

Si bien el factor económico es determinante en la producción arquitectónica, un enfoque renovado lo representa decidir la forma del objeto y los elementos, sistemas constructivos y dispositivos que las integran, en función de su ahorro energético con la finalidad de que esto contribuya a disminuir la pobreza energética en la que viven las familias que habitan estas viviendas en nuestro país.

Es recomendable hacer un estudio de campo para evaluar éstas y otras estrategias de climatización pasiva en viviendas de interés social construidas con las características del caso de estudio, y que forman parte de fraccionamientos y unidades habitacionales de gran envergadura en la ciudad, para con ello poder plantear diferentes escenarios posibles para la reconversión de estas viviendas, para tener un impacto positivo en la economía de las familias que las habitan.

Por último, se propone integrar en los análisis energéticos de los edificios este tipo de estudios con una perspectiva económica, para contribuir en disminuir la pobreza energética de las familias que habitan en este tipo de vivienda en este tipo de clima o en otros lugares de México.