Rol del profesional de la construcción en el diseño energético sustentable de edificios

Cecilia F. Martinez

Los profesionales de la construcción, ingenieros y arquitectos, tienen un rol destacado en el nivel de consumo de energía, como consecuencia de las decisiones que se adoptan al encarar el proyecto y materialización de un edificio.

Las condicionantes de diseño y la materialización de la envolvente exterior, determinan de forma fundamental el comportamiento termo-energético de un edificio, y con ello la mayor o menor necesidad de utilizar sistemas artificiales de acondicionamiento, que en la mayoría de los casos utilizan energía eléctrica (Martinez, 2004). 

Según datos de la Secretaría de Energía de la Nación, el sector residencial utiliza el 46,3% de la energía eléctrica en la Provincia, Tabla 1, siendo el de mayor crecimiento en el período 2006-2010, Tabla 2 (Secretaría, 2011). 

Tabla 1. Consumo de energía eléctrica en la Provincia por sector

Tabla 2. Crecimiento según sector en el consumo de energía eléctrica 2006-2010

Desde el punto de vista de la sustentabilidad, el sector de la producción de energía genera el 47% de las emisiones de CO₂, fig.1. El consumo de energía per cápita, es responsable de más del 20% del CO₂ producido por el argentino medio, (SAyDS, 2008).

Figura 1. Participación porcentual por sector en la generación de CO2 anual

Siendo así, la responsabilidad que les cabe a los profesionales del área de la construcción civil es de suma importancia, ya que sus decisiones condicionan, al definir las características de una obra, el comportamiento energético de la misma, y con ello su mayor o menor consumo de energía para acondicionamiento artificial.

Diversos trabajos y estudios han demostrado la importancia que tienen las buenas decisiones en la reducción del consumo de energía (Di Bernardo y Perone, 1994; Picción, Echeverria y Girardín, 1998; Gonzalo et al, 2000; Marincic e Isalgue, 2000; Volantino y Echeuchory, 2002; Marincic, 2005).

Decisiones tan simples como la orientación, la forma de agrupamiento o la elección del color para la envolvente exterior de los edificios, pueden generar ahorros energéticos significativos en el acondicionamiento artificial de espacios interiores, lo que, además de significar un ahorro monetario para los usuarios, también se refleja en un ahorro económico para la sociedad.

CASO DE VIVIENDA EVALUADA

Figura 2. 

Vistas de viviendas colectivas tipo (Barrio AGET, Tucumán)

Para realizar un estudio de condiciones térmicas y energéticas en edificios de vivienda en San Miguel de Tucumán, se trabajo sobre un prototipo de vivienda colectiva de planta baja y dos pisos, usual en diversas obras del Instituto Provincial de la Vivienda (IPV), cuya envolvente se materializa con una tipología básica de cerramientos, de uso frecuente en nuestro medio, resuelta con muros de ladrillo cerámico hueco de 0,18 m, con ambas caras revocadas,  estructura portante de hormigón armado, y cubierta de chapa, con cámara de aire y aislación de poliestireno expandido de espesor 2,5 cm.

La zona de S.M. de Tucumán tiene un clima de veranos cálidos y húmedos, abundante lluvia y poca disponibilidad de viento. El período de invierno es frío y seco. Esta zona ubicada en la provincia de Tucumán, en el NO argentino, se clasifica como zona Bioambiental II (Norma IRAM 11,603) y presenta un clima mixto, veranos con temperatura máxima media superior a los 32°C y HR media máxima de 85% e inviernos con temperatura media mínima de 6°C y HR media de 65%. Desde el aspecto bioclimático las principales estrategias de diseño son la reducción de ganancias y pérdidas de calor a través de la envolvente, la ventilación natural y la calefacción solar pasiva, fig.3. 

Figura 3. Gráfico bioclimático de Olgyay y Exigencias bioclimáticas (Gonzalo, 2003)

Tomando de referencia la vivienda del último piso, por lo cual los resultados son aplicables al caso de viviendas unifamiliares y otros edificios de similar magnitud, se realizaron las siguientes evaluaciones:

-          determinación del coeficiente de transmitancia térmica K para muros y cubierta, usando el programa de cálculo CEEMAKMP (Gonzalo, 2003).

-          balance térmico de las diferentes superficies componentes de la envolvente exterior, vertical y horizontal, por medio de planilla de cálculo para determinar la carga térmica total (Q= calor) para un régimen periódico de 24 horas, según ecuación de flujo de calor de Koenisberger, (Koenisberger, 1997).

Los resultados muestran para el caso del coeficiente de transmitancia térmica K, Tabla 3:

- en los muros solo las secciones compuestas por ladrillo hueco de 18 cm, verifican con los valores máximos establecidos por Normas IRAM 11.605, para un nivel C de confort (nivel mínimo en realidad poco recomendable).

- los elementos estructurales, en hormigón armado, no cumplen con los valores máximos establecidos para puentes térmicos.

- en ningún caso los valores de K medio ponderado llega a verificar (KMP, que considerando la influencia relativa de todos los componentes de la envolvente), determinando esto que, el comportamiento energético global del cerramiento, no permita lograr ni siquiera las condiciones mínimas de habitabilidad interior.

Con el valor de KMP se observa también la gran influencia que tienen las aberturas en el comportamiento global de un cerramiento, siendo que los valores más altos se presentan en los muros con ventanas, sobretodo en los muros 4 y 7, donde es predominante la superficie vidriada, observándose que en el caso del muro 7 el coeficiente KMP es un poca más del doble que el valor de K de muro. 

Tabla3. Valores de coeficiente de transmitancia térmica de cerramientos verticales

- En el caso de la cubierta los valores de transmitancia térmica (K) obtenidos son: verano 0,86 W/m²ºC e invierno 0,79 W/m²ºC, verificando solo con el valor máximo admisible para invierno en Nivel C (verano 0,72 W/m²ºC – invierno 1,00 W/m²ºC).

En la evaluación energética, determinando la carga térmica Q, los datos se determinaron para 4 situaciones básicas de orientación (N, S, E y O), ya que los conjuntos habitacionales se organizan en agrupamientos T de tres unidades, que se orientan en diversas formas, fig. 4 y 5.

Figura 4. Agrupamientos de viviendas

Figura 5. Organización y orientación de conjuntos habitacionales

Los resultados obtenidos en la evaluación energética para acondicionamiento térmico, fig. 6, muestran que para el caso 2, la vivienda orientada con su eje este-oeste y con el menor perímetro de frente hacia el norte, se presenta la menor necesidad energética.

Esta diferencia en el requerimiento energético anual se logra solo con la decisión de orientación del edificio.

Los casos 3 y 4 son los de mayor necesidad energética ya que la orientación este-oeste de los mayores muros no es lo más favorable.

Figura 6. Requerimiento energético de acondicionamiento artificial según orientación de la vivienda

Se observa, en la fig. 7, que los muros en el caso 2 presentan el menor requerimiento energético estacional, aunque en todos los casos de orientación resulta similar. 

Figura 7. Requerimientos de energía para acondicionamiento estacional

En el caso de la cubierta es notable la diferencia entre calefacción y refrigeración, siendo el verano la situación crítica, quedando claro que es un elemento a tener muy en cuenta al momento de tomar las decisiones sobre su materialización.

PROPUESTA DE MODIFICACIONES

Con los resultados de los análisis de comportamiento de la envolvente exterior, se definen que existen dos puntos a tener en cuenta para plantear algunas modificaciones que permitan mejorar el comportamiento del mismo y así, reducir el gasto energético para acondicionamiento.

a-       Modificaciones de diseño

b-       Modificaciones de materialidad

Veremos en esta primera parte lo referente a las modificaciones de diseño.

En este aspecto es claro que resulta fundamental considerar adecuadamente la orientación del edificio y la forma de agrupamiento. Teniendo en cuenta esto se plantea como condicionante que: - la forma y orientación del edificio debe presentar sus mayores superficies verticales al norte y al sur, con un eje longitudinal este-oeste; - el agrupamiento de unidades edilicias debe ser apareado por sus caras y no espejado, fig. 8.

Figura 8.  Orientación y organización recomendadas

Estas dos decisiones sobre el diseño, que no llevan costo monetario de construcción inicial, permiten aprovechar adecuadamente la ganancia de radiación invernal (frente N) y la ventilación estival (frente S). Si se compara la situación original, vivienda con todas sus caras expuestas (caso A) con las viviendas agrupadas propuestas (caso B y C), fig. 9 y 10.

Figura 9. Agrupamiento original con vivienda de perímetro libre

Figura 10. Agrupamiento propuesto con viviendas apareadas

En Tabla 4 que los valores de requerimiento energético anual se reducen entre un 13% y un 26%.

Tabla 4. Valores de requerimiento energético de los casos propuestos

Otro aspecto que se puede tener en cuenta para la reducción de la carga térmica en los edificios, en relación al comportamiento de su envolvente exterior es el color seleccionado para la terminación final.

Es sabido que los colores claros reflejan más radiación solar, y por consecuencia hacen que el elemento constructivo expuesto absorba menos calor.

Tomando el caso de la vivienda origina (caso A, figura 8) y variando sólo el color superficial en la evaluación de carga térmica Q (calor transferido por la envolvente), vemos por lo resultados de Tabla 5, que en el balance anual la carga térmica global se reduce un 19%.

Sin embargo, el éxito de esta condición depende de que la superficie se mantenga de un color claro a lo largo de la vida útil del edificio, lo que, si bien no implica un costo adicional de construcción, si obliga a tener presente un efectivo plan de mantenimiento.

Tabla 5. Variación de la carga térmica en relación al color de la superficie exterior

CONCLUSIONES

Es claro que hay aspectos de diseño que afectan el comportamiento termo-energético de los edificios, los que, por su simplicidad, no pueden ser desconocidos por los proyectistas responsables, no existiendo argumento válido para no considerarlos e implementarlos, puesto que son pautas cuya aplicación no conllevan necesariamente un aumento del costo de construcción.

Una envolvente exterior energéticamente eficiente no solo permitirá un ahorro en el costo de funcionamiento, sino que también proporcionará ambientes interiores más sanos, física y psicológicamente, con lo que se eleva el rendimiento personal y la eficiencia laboral, evitando el llamado Síndrome de Edificio Enfermo.

También permite retrasar algunos problemas de deterioro que afectan a los cerramientos exteriores, exigiendo menores gastos de mantenimiento para las mismas.

Así mismo implica la reducción de otros costos, no relacionados directamente con la obra, como por ejemplo la disminución en la inversión para la compra de artefactos de calefacción y refrigeración, ya que la mayor eficiencia térmica del cerramiento lleva a que se necesiten equipos de acondicionamiento artificial de menor capacidad o tamaño, además de permitir una mayor eficiencia en su funcionamiento y por ello alargando su vida útil.

Es así que el incremento monetario necesario a hacer para construir edificios energéticamente eficientes, sea una vivienda o no, debería ser considerado como una “inversión a mediano y largo plazo”, que siempre nos dará beneficios directa o indirectamente al contribuir a reducir el consumo de energía no renovables y realizar un uso más racional de lo que consumimos.

REFERENCIAS

Di Bernardo E. y Perone D.  Propuesta para la optimización energética en viviendas de interés social. Taller "Energía, Hábitat y Ambiente", XVII Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energía Solar. Rosario, Argentina, 11 al 15 de Octubre, 1994.

Gonzalo G, Ledesma S, Nota V, Martinez C, Cisterna S, Quiñones G, Márquez G, Tortonese A, Garay A. Determinación y análisis de los requerimientos energéticos para el acondicionamiento térmico  de un prototipo de vivienda ubicada en San Miguel de Tucumán. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 4 N° 1. pp. 05.19-05.24. ISSN 0329-5184. Ed. Milor. 2000.

Gonzalo G. Manual de Arquitectura Bioclimática. Editorial Nobuko. Buenos Aires. 2003.

Koenisberger O. Viviendas y edificios en zonas cálidas y tropicales. Paraninfo, Madrid. 1977.

Martinez C. Evaluación cualitativa de condiciones ambientales de viviendas del IPV en S. M. de Tucumán. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol. 8 N° 1. pp. 05.01-05.06. ISSN 0329-5184. Ed. Milor. 2004.

Marincic I e Isalgue A. Respuestas térmicas y su relación con la envolvente del edificio. Memorias ISES Millennium Solar Forum, pp 13-17. México D.F. 2000.

Marincic I. Edificios educativos. Recomendaciones para mejorar su eficiencia energética. Setiembre 2005. Talleres Gráficos. Universidad de Sonora, México. ISBN 970689248-6.

Mascaró J.J y Mascaró L. Incidência das variâveis projectivas e de construção no consumo energético dos edificios, Capítulo V. SAGRA-DC LUZZATTO Editores. 1992.

Picción A., Echeverria C., Girardín M.G. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 2 N° 1, pp. 03.123 ISSN 0329-5184. Revista de la Asociación de Energías Renovables y Medio Ambiente. 1998.

SAyDS. Secretaría de Ambiente y Desarrollo Sustentable. La huella de carbono del argentino promedio. 2008.

http://www.ambiente.gov.ar/archivos/web/UCC/ile/030608_metodologia_huella_carbono.pdf

Secretaría. Secretaría de Energía de la Nación. Informe quinquenal del consumo del sector eléctrico 2006-2010. Dirección Nacional de Prospectiva. 2011. http://energia3.mecon.gov.ar/home/

Volantino y Echeuchory. Evaluación del comportamiento de muros en función de su absortancia solar. Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente Vol.6, Octubre 2002, pp. 08.97 a 08.102. ISSN 0329-5184. Ed. Milor.2002.