Etapa de diseño de edificios

Uno de los mayores potenciales de aplicación de la modelación energética de edificios corresponde a la etapa de diseño de un edificio. Este potencial es soportado por una tendencia global sobre regulaciones y certificación relacionadas a la eficiencia energética de edificaciones, incluyen los objetivos de edificios “net zero” (optimización entre reducción del consumo de energía y autogeneración de energía renovable) que se plantean en diversas regiones del planeta. Sin embargo, hoy en día incorporar BEM en las primeras etapas del diseño es muy difícil. Los tiempos de respuesta son cortos y los presupuestos ajustados, a veces inexistentes si una empresa de arquitectura está licitando un proyecto (U. S. Department of Energy, 2021b). Una revisión integral de los estudios de optimización del rendimiento del edificio en la etapa inicial de diseño ha sido realizada por Han et al. (2018) y por Gassar et al. (2021).

Existen una gran cantidad de publicaciones en revistas científicas especializadas sobre la aplicación de BEM en el diseño de edificios, aquí se mencionan un par de ejemplo. El primer caso corresponde una serie de simulaciones realizadas durante las primeras etapas del diseño de un edificio residencial multifamiliar (Samuelson et al., 2016). Los autores realizaron un análisis de sensibilidad simple para identificar los parámetros de diseño probados más influyentes en la intensidad del uso de energía, que incluían la relación ventana-pared, el tipo de vidrio, la rotación del edificio, la forma del edificio y el aislamiento en paredes, en ese orden. Para llevar a cabo las simulaciones y el análisis paramétrico de este estudio se utilizó EnergyPlus y Grasshopper como un servicio en la nube. En este análisis se incluyeron simulaciones considerando tanto el edificio residencial aislado, como si se ubicara en diversos contextos urbanos. En dichos contextos urbanos se consideraron condiciones climáticas de tres ciudades: Nueva York, Beijing y Shenzhen. Además, se varió la densidad y altura de edificios vecinos que influyen en el sombreado sobre el edificio residencial modelado. Dentro de los parámetros y rangos probados aquí, la relación ventana-pared surgió como la consideración de diseño más importante. Por otra parte, en este trabajo se demuestra cómo el contexto urbano influye notablemente sobre el consumo anual de energía, por lo que dichos contextos afectan las decisiones de diseño del edificio (Samuelson et al., 2016).

Un segundo ejemplo de la aplicación del BEM corresponde a modelos de un edificio comercial y uno doméstico en el Reino Unido (Alwan et al., 2021). En este estudio se propone un método interactivo entre el análisis de ciclo de vida del edifico (ACVE) y el BEM para abordar los puntos críticos tanto de la energía operativa como la energía incorporada. La energía incorporada de un edificio es un cálculo que involucra energía utilizada para producir los materiales que componen el edificio, la cual es abordada mediante el ACVE. Por otro lado, la energía operativa corresponde a la energía requerida para operación del edificio como acondicionamiento de espacios, iluminación y operación de aparatos, etc. El edificio comercial es para oficinas y consiste en un marco de acero, vidriado y losas concreto-prefabricadas. Para estimar el uso de energía operativa se utilizó el software DesignBuilder, una interfaz gráfica que utiliza EnergyPlus como motor de cálculo. También se utilizó el software de modelado Grasshopper para llevar a cabo un análisis paramétrico que permite analizar el consumo de energía para una serie de opciones de diseño, incluyendo cambios en geometrías, materiales y sistemas constructivos. Como conclusión de este trabajo, los autores describen cómo el uso de energía operativa supera el uso de energía incorporada dentro de los primeros 10 años de vida de ambos edificios. También se menciona cómo los perfiles de energía para las cargas de ocupación, el consumo de energía y el guión se modifican de acuerdo con los requisitos de las ubicaciones geográficas específicas y las prioridades ambientales. Por ejemplo, las regiones cálidas y secas del mundo adaptarán un guión para centrarse más en el sombreado, mientras que una región templada se centrará en el uso de materiales y las opciones de calefacción (Alwan et al., 2021).

Ambos trabajos presentan enfoque novedoso de la aplicación BEM en las primeras etapas de diseño. Samuelson et al. (2016) incorporan un contexto urbano para evaluar el sombreado de edificios vecinos. Por otra parte, Alwan et al. (2021) incluyen el uso de energía incorporada en el análisis energético obtenido con las herramientas BEM.

Diseño y evaluación de normas sobre consumo energético en edificios

La simulación energética de edificios ha sido utilizada para la inclusión de estándares relacionados al consumo de energía en edificaciones en diversas partes del mundo. Uno de los aspectos que más ha sido abordado se relaciona con estándares sobre techos reflectivos o cool roofs. Esencialmente, los techos reflectivos tienen una combinación con altos valores de reflectancia solar (RS) y emisividad infrarroja (EI) que permiten reducir el consumo de energía para el enfriamiento de edificaciones en lugares cálidos. Los techos reflectivos representan también una de las medidas propuestas para mitigar el problema de las islas de calor urbanas (Taha, 2008). La simulación energética permite construir un modelo de edificio y ubicar virtualmente dicho edificio en diversas localidades al utilizar los datos climáticos de dichas localidades. Esto permite realizar análisis rápidos y económicos evaluando las propiedades de los materiales o de los sistemas constructivos de interés, como pueden ser la reflectividad o resistencia térmica del techo.

En 1999 la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) acreditó por primera vez los techos fríos en edificios residenciales, no residenciales y de gran altura en la Norma ASHRAE 90.1-1999. En 2001, ASHRAE amplió sus estándares para acreditar techos fríos ahora en edificios residenciales de poca altura, implementando algunas revisiones tres años después en el estándar ASHRAE 90.2-2004 (Akbari y Lenvinson, 2008). En enero de 2001, el estado de California siguió el enfoque ASHRAE al acreditar en su estándar de eficiencia energética de, conocido como “Título 24”, el uso de productos para techos reflectivos en edificios no residenciales con techos de poca pendiente (California Energy Commission, 2001). A partir de estas iniciativas pioneras sobre la implementación de techos reflectivos en edificios, se empezaron a implementar diversos tipos de estándares y acreditaciones de cool roofs en diversas partes del mundo.

En 1997 un comité para el estándar ASHRAE 90.1, que fue formado para reconocer el potencial de los techos reflectivos, determinó rangos de la reflectancia solar y emisividad infrarroja para algunos materiales comunes en techos (Akbari et al., 1998). La reflectancia solar de las tejas varió de 0.03 a 0.26, con la mayoría entre 0.10 y 0.15. Los techos de grava tenían reflectancias solares de aproximadamente 0.12 a 0.34, dependiendo del color de la grava. Las emisiones térmicas de estas superficies no metálicas fueron de aproximadamente 0.8 a 0.9. Los techos de metal desnudo y brillante tienen una mayor reflectancia solar (aproximadamente 0.60), pero su baja emisividad térmica (aproximadamente 0.10) los hace tan calientes como un techo oscuro bajo vientos de baja velocidad. Por lo tanto, se asumió que un techo “frío” de pendiente baja debería tener una reflectancia solar inicial no menor de 0.70, una reflectancia solar envejecida no menor de 0.55 y una emisividad térmica no menor de 0.80.

Varios estudios han evaluado el impacto de los techos reflectantes sobre el potencial de enfriamiento de edificios, vecindarios e incluso ciudades enteras con apoyo de BEM. Akbari et al. (1999) estimaron el efecto de los techos reflectivos en 11 ciudades de Estados Unidos utilizando el programa de simulación energética DOE-2. Estos autores estimaron ahorros anuales por el uso de altos valores de reflectancia solar en techos, que pueden llegar hasta 51 USD por cada 1,000 ft² (alrededor de 0.55 USD por m²) para edificios residenciales. Levinson y Akbari (2010) utilizaron el programa DOE-2 para estimar los beneficios potenciales de los techos reflectantes para edificios comerciales en 236 ciudades de Estados Unidos. Descubrieron que los ahorros de energía de refrigeración durante el verano compensan cualquier penalización por energía de calefacción, excepto en los sitios remotos de Alaska, lo que resulta en ahorros netos de energía anual. Los ahorros de energía por área de techo variaron de $0.126/m² en West Virginia a $1.14/m² en Arizona, con un promedio de $0.356/m² a nivel nacional según las ubicaciones estudiadas.

Simulaciones realizadas con EnergyPlus en prototipos de edificios residenciales y de oficinas en siete ciudades chinas (Harbin, Changchun, Beijing, Chongqing, Shanghai, Wuhan y Guangzhou) mostraron que la sustitución de un techo blanco envejecido (albedo 0.6) por un techo gris envejecido (albedo 0.2) produce ahorros anuales de energía de entre 4.1 y 10.2 kWh/m² y reducen emisiones de CO₂, NOX y SO₂ en rangos de 1.0-3.5 kg/m², 5.1-13.2 g/m² y 9.4-32.6 g/m² respectivamente (Gao et al., 2014).

Recientemente, Tzempelikos y Lee (2021) utilizaron EnergyPlus para modelar tres tipos de edificios (comercios, oficinas y edificios escolares) en 16 ubicaciones representativas del clima en Estados Unidos. El objetivo fue evaluar el efecto combinado de la reflectividad y el aislamiento térmico del techo. La reflectividad solar se varió entre 6% (negro), 50% (techo reflectante envejecido) y 70% (techo reflectante nuevo), mientras que se consideraron tres niveles de aislamiento térmico con valores de resistencia térmica de 2, 4 y 6 m² °C/W. Los resultados muestran que todos los casos, los ahorros de energía con techos reflectantes (en comparación con los techos negros) son mayores para climas cálidos, aunque no necesariamente siguen el orden de subcategorías climáticas establecido en Estados Unidos. El aislamiento del techo es fundamental para todos los climas. Para oficinas y escuelas de poca altura, los beneficios de los techos reflectantes frente a los techos de colores oscuros son claros para todas las zonas climáticas de Estados Unidos. Por otro lado, para los edificios minoristas de grandes dimensiones, los techos reflectantes funcionan mejor, excepto en las zonas de clima frío (zonas climáticas 7 y 8).

Los trabajos antes expuestos han permitido evaluar los beneficios de los techos reflectivos. Los resultados de estos trabajos han sido útiles para justificar o evaluar resultados de la implementación de normas que obligan, o bien sugieren, altos valores de reflectancia solar en techos de edificios que se ubican en diversas partes del mundo.

Rehabilitación energética de edificios

Otro uso de BEM corresponde a la simulación de edificios construidos con el objetivo de incorporar adecuaciones para obtener un mejor desempeño energético. Estas adecuaciones, o rehabilitación energética, permiten disminuir el consumo de energía en rubros importantes como son la climatización artificial y la iluminación, obteniendo así ahorros económicos y reducciones en la emisión de gases con efecto invernadero. Simular un edificio ya construido nos permite monitorear algunos parámetros como la temperatura del aire interior o el consumo eléctrico para calibrar el modelo de simulación. De esta forma se puede realizar un proceso más completo de modelación energética del edificio que incluye etapas como análisis de sensibilidad, calibración, validación y optimización. Esto da como resultado modelos de simulación de edificios más realistas si se compara con la aplicación BEM en la etapa de diseño del edificio. Es indudable que en muchas regiones del mundo las condiciones de edificios para diversos usos pueden ser mejoradas con medidas pasivas simples como aislamiento térmico, techos reflectivos o sombreados en ventanas. Estas medidas simples pueden resultar económicamente factibles y es aquí donde la aplicación del BEM es fundamental.

Mazzocco et al. (2018) evaluaron propuestas de rehabilitación energética de una vivienda social en la región central de Argentina construida en 1960. Los muros exteriores de la vivienda son de ladrillo común de 0,30 m y el techo es una cubierta tradicional compuesta por losa de viguetas pretensadas de hormigón armado. La vivienda se modeló con Ecotect, un software propietario de la empresa Autodesk ahora incorporado a la plataforma Revit, y Simedif para Windows, desarrollado en el Instituto de Investigación en Energía No Convencional de Argentina. Los modelos de simulación de ambos software fueron calibrados utilizando el consumo de energía monitoreado. Dentro de las propuestas de rehabilitación energética se incluyeron adicionar capas de poliestireno expandido en muros y techo, así como cambiar ventanas existentes por ventanas de doble vidriado hermético. A partir de la intervención energética, la energía incorporada se incrementa un 4.3 y 7.1% para alcanzar el nivel B y A de la Norma IRAM 11605, respectivamente. Sin embargo, la rehabilitación energética propuesta alcanza ahorros en la energía operativa para ambas intervenciones, del 53.7 y 85.6%, respectivamente.

Otro caso citado es un análisis sobre rehabilitación energética de edificios antiguos en la ciudad de Izmir, Turquía (Ulu y Arsan, 2020). Los autores investigaron un total de 22 edificios: cuatro edificios comerciales y 18 residenciales. En este estudio utilizaron el programa de simulación DesignBuilder v.5.2. Los 22 edificios fueron clasificados en tres grupos de acuerdo con el valor del patrimonio histórico y el registro como edificio histórico. El grupo 1 corresponde a edificios registrados oficialmente como históricos, el grupo 2 son edificios históricos no registrados como tales, y el grupo 3 corresponde a edificios no históricos. Para el proceso de rehabilitación se propusieron dos paquetes de soluciones de mejora al desempeño energético por cada grupo de edificios. En los seis paquetes se consideraron también el riesgo al patrimonio histórico de los edificios. Para los edificios de los grupos 1 y 2, el paquete 1 considera medidas sin ningún riesgo al patrimonio y el paquete 2 incorpora medidas de bajo riesgo al patrimonio. El aislamiento térmico en la parte exterior del muro, así como el cambio de ventanas y puertas son medidas que mejoran considerablemente el desempeño energético, pero fueron eliminadas por su impacto al patrimonio en los grupos 1 y 2. En el grupo 3 los cambios se dividieron en el paquete 1, que incluye componentes verticales como aislamiento en muros y sustitución de ventanas, y el paquete 2, con modificaciones en componentes horizontales como aislamiento en techo y pisos. Los resultados de este trabajo detallan los consumos obtenidos por grupo de edificios y para cada escenario: el caso base, o estado actual del edificio, y para los dos paquetes de mejoras al desempeño térmico. Para los edificios oficialmente registrados como históricos (grupo 1) se reporta un rango de ahorro en el consumo de energía de entre 14.04 kWh/m² y 118.2 kWh/m² para el paquete 1 y entre 56.33 kWh/m² y 186.35 kWh/m² para el paquete 2. Los rangos del ahorro energético reportados para el grupo 2 son similares a los del grupo 1. Para el grupo 3 se obtuvieron ahorros de 33.76 kWh/m² a 217.38 kWh/m² y de 57.39 kWh/m² a 221.25 kWh/ m². Considerando el total de los edificios analizados, el consumo anual de energía fue de 506,924 kWh y se obtuvieron ahorros de energía del 19.8 y 48.57% para los paquetes 1 y 2, respectivamente.

Evaluación de nuevos materiales y sistemas constructivos

La simulación energética de edificios es una herramienta útil en la investigación enfocada en el desarrollo de nuevos materiales y sistemas constructivos que buscan mejorar el desempeño energético de los edificios. Un ejemplo es aplicación de la simulación energética de edificaciones para evaluar la tecnología de materiales con cambios de fase en componentes de la envolvente de edificios (Devaux y Farid, 2017; Royon et al., 2013; Jeong et al., 2021). Durante el proceso de transferencia de calor que ocurre a través de los componentes de la envolvente como el piso, el techo y los muros, parte de la energía es almacenada en estos componentes. La energía se puede almacenar principalmente de dos formas: calor sensible y calor latente. Un material convencional almacena la energía como calor sensible, es decir a través del cambio de temperatura. La densidad y el calor específico de los materiales son las propiedades que se relacionan con almacenamiento de calor sensible, aunque también se utiliza el término de masa térmica en el diseño de edificios. La masa térmica corresponde a la capacidad calorífica, que equivale al producto de la densidad por el calor específico. Por otra parte, se puede aprovechar materiales que tienen un cambio de fase, generalmente de líquido a sólido y viceversa, para que ocurra un almacenamiento de energía en forma de calor latente. El uso de materiales con cambio de fases (MCF) en las condiciones que ocurre la transferencia de calor a través de la envolvente es más efectivo cuando se tiene materiales de construcción livianos (Chiu y Martin, 2013). El uso de MCF en la envolvente tiene dos ventajas principales: aporta un nivel de temperatura más constante dentro de un edificio y permite que la aplicación de MCF sea independiente del sistema de calefacción y refrigeración empleado (Soares et al., 2013). Algunos programas de BEM como EnergyPlus y TRNSYS han incorporado módulos para cálculos con la tecnología de MCF en edificaciones (Tabares-Velasco et al., 2012; Kuznik et al., 2010). Un ejemplo de la aplicación de EnergyPlus para evaluar la incorporación de MCF es presentado por Devaux y Farid (2017). Estos autores evaluaron un par de casetas de oficinas construidas con paneles de yeso acondicionadas con un sistema de calefacción por piso radiante. Las casetas tienen una superficie construida de casi 7 m² cada una y son ubicadas en el campus de Tamaki de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda). En una de las casetas se adicionaron paneles con MCF en paredes, piso y techo. Ambas casetas fueron monitoreadas por 10 días. Los consumos de energía medidos en la cabaña y los previstos por EnergyPlus resultaron con una muy buena concordancia, con una diferencia promedio de sólo 1.5% durante siete días; Sin embargo, EnergyPlus en algunos días sobreestimó el consumo, y en otros lo subestimó. El uso de MCF permitió reducir la carga máxima de calefacción de manera significativa y obtener ahorros en el consumo de energía del 32%. Los costos para la calefacción se redujeron en un 42% debido tanto al ahorro en el consumo de energía como por el cambio de la carga máxima.

Efecto de la reflectancia solar y emisividad infrarroja del techo sobre el uso de energía en México

Este análisis se basa en un trabajo de tesis doctoral (Lucero, 2016) donde se consideraron, además del edificio residencial aquí discutido, un modelo de vivienda de interés social y un edificio no residencial. Algunos resultados sobre la simulación de la vivienda social han sido previamente publicados (Lucero-Álvarez et al., 2014; Lucero-Álvarez et al., 2016; Lucero-Álvarez y Martín-Domínguez, 2016, 2019).

El modelo del edificio residencial es una vivienda de dos niveles, con una superficie total de construcción aproximadamente de 100 m² (Figura 3). Este modelo corresponde al edificio de referencia utilizado para el diseño de la Norma Mexicana NOM-020-ENER-2011 y la información fue obtenida de un reporte preparado para Comisión Nacional de Uso Eficiente de Energía (CONUEE) (Álvarez et al., 2014). Las características del edificio, incluyendo materiales de construcción y horarios de operación se basan en trabajos previos (Álvarez et al., 2014, y Halverson et al., 1994, en Álvarez et al., 2014).

Figura 3. Modelo de edificio residencial simulado con TRNSYS

Fuente: elaboración propia.

Para evaluar el efecto de la RS y EI se utilizó el software TRNSYS y se realizó un análisis paramétrico donde se variaron ambas propiedades termo-ópticas en un rango de 0.1 a 0.9 con incrementos de 0.1. Adicionalmente se consideraron tres escenarios con aislamiento térmico (sin aislamiento térmico, 2.5 cm y 5.0 cm de aislamiento). Las simulaciones se realizaron con condiciones climáticas de 20 ciudades que son representativas de las diferentes zonas térmicas que define la Norma Mexicana NMX-c460-ONNCCE-2009 (Tabla 1). La ocupación es de cuatro personas, y el horario de operación es de lunes a viernes entre las 0:00 a 8:00 horas y 15:00 a 24:00 horas, e incluye las 24 horas del sábado y domingo. Se consideraron ganancias por equipo eléctrico, iluminación y ocupación de personas. Los sistemas constructivos incluyen paredes en base a bloque hueco de concreto con acabados de yeso, en la superficie interior, y de mortero en la exterior. El techo consiste en una losa de concreto con acabado de yeso e impermeabilizante elastomérico. Para el piso se considera una losa de concreto con cerámica. Otros parámetros para la simulación, incluyendo las propiedades físicas de los materiales de construcción, son detallados en Lucero (2016).