Los sistemas de simulación energética de edificios permiten analizar la calidad y demanda ambiental de las construcciones, pero deben contar con procedimientos fiables y pertinentes. Este artículo identifica condiciones relevantes de la simulación energética de viviendas unifamiliares, basado en el análisis de una docena de programas y distintas experiencias en el centro sur de Chile. Desarrollando una revisión de capacidades de los sistemas, a través de la simulación de una misma vivienda y entrevistas a usuarios expertos. Además de estudiar incidencias de los antecedentes y distintas estrategias de análisis para el mejoramiento ambiental de viviendas. Revelando características significativas para el estudio energético de construcciones habitacionales aisladas. Finalmente sugiere revisar ciertas condiciones de los sistemas para asegurar la efectividad de los análisis ambientales y de las acciones subsecuentes.
Energy simulation systems allow analyzing the environmental quality and demand of buildings, but they must have reliable and proper procedures. This paper identifies relevant conditions of energy simulation systems for the study of single-family homes, based on the analysis of a dozen programs and various experiences in south central Chile. A review of capabilities was conducted, simulating the same case in all systems and making interviews with expert users. Besides it studied the incidence of background data and different strategies for analysis the environmental performance of housing. Revealing significant characteristics in the energy study of detached residential buildings. Finally it suggests reviewing certain conditions to ensure the effectiveness of the environmental analysis and subsequent actions.
El progresivo agotamiento de las fuentes energéticas tradicionales y los requerimientos crecientes de habitabilidad, están promoviendo diversas acciones para mejorar el desempeño sostenible de las construcciones. Para asegurar la calidad ambiental y reducir el consumo energético de los edificios, se requiere un adecuado análisis de su comportamiento. Se dispone en la actualidad de una amplia variedad de sistemas de simulación energética, que todavía presentan limitaciones importantes que se analizan en el presente trabajo. Lo anterior especialmente en pequeñas edificaciones, como las viviendas unifamiliares, que se sitúan en diferentes contextos climáticos y muestran diferentes estándares constructivos.
El presente artículo propone identificar condiciones relevantes de los análisis energéticos para residencias individuales, basados en diversas experiencias en el centro-sur de Chile, en donde se ha efectuado una progresiva regulación de su situación habitacional, que puede ilustrar su aplicación para distintos países en desarrollo.
En Chile las construcciones residenciales son responsables de más de la mitad de los gastos energéticos del sector de la edificación, con un 77% el año 2011 en todos los servicios del área Comercial-Público-Habitacional
Los procedimientos de cálculo energético de las edificaciones emergieron a partir de la crisis del petróleo en los años 70, y en las últimas décadas se han implementado en diversos sistemas computacionales, aprovechando sus capacidades de procesamiento matemático y representación gráfica (
Recientemente proveedores importantes de software para diseño arquitectónico han elaborado o adquirido programas de análisis energético, (como Autodesk, con Ecotect y Vasari; Graphisoft con Ecodesigner, Nemetschek con Archiwizard, etc.), para facilitar la vinculación y comercialización conjunta. Así también han emergido servicios por internet que ofrecen analizar el comportamiento energético de edificios (como Green Building Studio de Autodesk o Design Advisor del MIT) o sistemas abiertos (como OpenStudio), pero no explican condiciones de trabajo adecuadas según el tipo de construcción o localización, por la falta de revisiones específicas, lo que se pretende aclarar en este artículo para viviendas unifamiliares en climas templados como el centro-sur de Chile. De este modo en la actualidad se puede encontrar una diversidad de sistemas (mayormente en idioma inglés), con distintas características y con utilización aún reducida en el ámbito profesional, especialmente en los países en desarrollo, debido a que recién se están incorporando conceptos de comportamiento energético en la formación académica, y en los procesos públicos o privados de diseño de edificios los consideran parcialmente. Pero presentan un requerimiento creciente para amplias acciones de mejoramiento ambiental de la construcción.
Los sistemas de análisis o simulación energética constituyen en general programas informáticos, en los cuales se deben indicar una variedad de características de los edificios, se calculan internamente sus transferencias térmicas
Se han efectuado algunas evaluaciones comparativas de software
Las evaluaciones en general no consideran los sistemas más disponibles y se concentran en las capacidades internas, sin revisar condiciones de implementación (costos, instalación, soporte, formación de los usuarios), como tampoco de aplicación. Varias inquietudes frecuentes no son mencionadas, como sí las diferencias de precio o gratuidad entre los programas son relevantes; sí requieren conocimientos especializados; cuál es la incidencia de los antecedentes; cuánto esfuerzo se debe desarrollar en la implementación o análisis; si hay relación con el tipo de edificación o mejoramientos posibles; cómo se discriminan las distintas alternativas; como se integran en el diseño y la ejecución; y como se ponderan las incidencias económicas. Quedando entonces varios cuestionamientos relevantes para su aplicación.
Con el fin de esclarecer estos aspectos se revisó una docena de software y servicios web de análisis energético de edificaciones, instalando cada sistema y efectuando con cada uno la simulación de una misma vivienda, además de consultar usuarios experimentados y bibliografía especializada, para desarrollar una valoración sintetizada. También, se revisaron distintos estudios energéticos de construcciones habitacionales en la zona, analizando la incidencia de sus antecedentes, y se efectuaron en particular simulaciones de una docena de viviendas existentes, con un mismo sistema y procedimientos. Realizando en estos casos, además un registro detallado de las condiciones constructivas, funcionales y ambientales, que se compararon con los modelos simulados. Se desarrollaron luego ajustes sucesivos para representar el desempeño real de las viviendas, sintetizando las adecuaciones realizadas. De este modo se arribó a una clasificación y focalización de sistemas apropiados para su aplicación en viviendas unifamiliares de la zona, identificando consideraciones significativas para los estudios energéticos de estas edificaciones.
Para revisar características de los sistemas, primero se consultó a especialistas y en publicaciones, los programas más relevantes y utilizados actualmente. Encontrando bastantes convergencias en los mencionados, y algunos recientes en software libre y servicios web, que pueden tener una proyección amplia. Se buscó programas revisados en evaluaciones anteriores, pero varios no estaban disponibles, lo que expresa un desarrollo relevante en los últimos años. La nómina final (
Programa/Servicio | Año de Inicio | Proveedor | Costo (dólares) | Características Principales | |
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1 | ESP-R | 1977 | U. Strathclyde | 0 | Gran capacidad de calculo y detalles avanzados, funciona en Windows, Mac y Linux |
2 | TAS | 1984 | EDSL | 7.000 | Modelación precisa y análisis detallado, preferido por especialistas |
3 | IES-VE (VE-WARE) | 1994 | IESVE | 61 a 9.000 | Buen cálculo hasta 5.000 zonas, con distintas versiones, permite modelar con Sketchup |
4 | CASANOVA | 2000 | U. Siegen | 0 | Fácil de utilizar y cálculos rápidos, pero de una sola zona y volumen simple |
5 | HEED | 2003 | UCLA | 0 | Funcionamiento intuitivo, sin modelación, se enfoca en análisis costo-beneficio de viviendas |
6 | DESIGNBUILDER con E+ | 2005 | DesignBuilder Co. | 308 a 4.187 | Cálculos avanzados usando Energy-Plus, con funcionamiento intuitivo y simple. |
7 | ECOTECT | 2008 | Autodesk | 800 a 1.200 | Fácil modelación, visualización y análisis, buena exportación y muy utilizado |
8 | GREEN BUILDING STUDIO | 2008 | Autodesk | 400 | Servicio de internet que permite ingresar archivos en formato gbxml y cálculos rápidos |
9 | OPEN STUDIO con E+ | 2008 | NREL | 0 | Permite modelar con Sketchup, calcula con Energy Plus |
10 | VASARI | 2010 | Autodesk | 0 | Cálculos sencillos pero variados y específicos de distintos volúmenes, exporta desde Revit |
11 | BEOPT con E+ | 2011 | NREL | 0 | Buen cálculo y asistencias, compara alternativas con análisis paramétrico |
12 | DESIGN ADVISOR | 2012 | MIT | 0 | Servicio de internet eficaz y completo |
Se probó el funcionamiento de todos los sistemas instalados, y además se entrevistó a usuarios experimentados y se efectuó con cada programa una simulación del mismo modelo. Los usuarios consultados (
Formación Académica | Dedicación | Programa Utilizado | Años de Experiencia | |
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1 | Magister en Arquitectura Sustentable | Arquitecto | Ecotect | 4 |
2 | Diplomado en Arquitectura Sustentable | Arquitecto | Ecotect | 3 |
3 | Magister en Eficiencia Energética y Hábitat Sustentable | Arquitecto | Ecotect | 5 |
4 | Magister en Medio Ambiente y Arquitectura Bioclimática | Arquitecto | Design Builder, IES-VE | 3 |
5 | Magister en Medio Ambiente y Arquitectura Bioclimática | Arquitecto | TAS | 5 |
6 | Ingeniero en Construcción | Ingeniero en Construcción | TAS | 6 |
7 | Magister en Ingeniería | Ingeniero Civil | Openstudio | 3 |
8 | Magister en Arquitectura y Energías Renovables | Arquitecto | ESP-r | 3 |
La simulación realizada con todos los sistemas consistió en una pequeña vivienda aislada rectangular de un piso, que totalizaba una superficie de 60 m2, con muros de albañilería de ladrillos y piso de hormigón sobre el terreno (sin ventilación), ventanas de vidrio simple con marcos metálicos, estructura de techumbre de madera con cubierta metálica y aislamiento ligero, Lo que corresponde a la tipología de vivienda más frecuente en el país y la zona (en un 85%), con el sistema constructivo más utilizado (en un 45%, el restante corresponde a estructuras en madera o bloques), y la media de superficie
Materialidad mm | Densidad aparente kg/m3 | Conductividad térmica, λ W/(m x K) | resistencia térmica e/λ m2 x K/W |
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Muro exterior | |||
Ladrillo 140x240x71 | 1400 | 0,6 | 0,23 |
Tabiquería interior | |||
Yeso cartón 8 mm | 700 | 0,26 | 0,03 |
Cámara de aire | – | – | – |
Yeso cartón 8 mm | 700 | 0,26 | 0,03 |
Cielo | |||
Yeso cartón 10 mm | 700 | 0,26 | 0,038 |
Poliestireno 80 mm | 20 | 0,043 | 1,86 |
Techumbre | |||
Plancha Zincalum 2 mm | 7130 | 112 | 1,78 |
Ventanas | |||
Vidrio simple 6 mm | 2400 | 1,2 | 0,17 |
Basados en estas actividades, se valoraron características de los sistemas, ya sea aspectos mencionados en evaluaciones previas, como nuevas consideraciones de utilización e instalación. Algunas fueron cuantificadas, como rangos de costos o tiempos de procesamiento, existencia de ciertas operaciones, etc., y otras fueron calificadas subjetivamente, como presentación, utilidad, etc., según lo comentado por usuarios y apreciaciones comparativas. Utilizando una escala similar (de 1 a 5), con el valor más bajo para una situación negativa y el más alto, para una positiva. Las características se dividieron en dos grandes temas; capacidades técnicas y facilidad de ocupación (
En la facilidad se contemplaron aspectos como la sencillez de modelación e ingreso de datos, menor tiempo de proceso, visualización de resultados, como también el precio (a menor costo, más facilidad de disponer el software), simplicidad de instalación, atención de servicio o información, menor requerimiento de equipos o formación de los usuarios, etc. En las capacidades, se consideraron características como la variedad de análisis, precisión de los datos, adscripción a estándares y transferencia de archivos.
En la tabulación global se advirtieron diferentes tendencias entre los sistemas (
Por otro lado, los programas con mayores capacidades, que podemos denominar más «completos», como ESP-r, TAS y DesignBuilder, se distinguen por su mayor nivel de detalle en la modelación, descripción de equipamientos, horarios, archivos climáticos, diversidad de análisis, comprobación de normativas y relación con otros software. Con una buena asistencia, modificación de datos y representación de resultados. Pero también por un precio más alto, requerir mayores equipos y conocimiento especializado, mas antecedentes y tiempo de trabajo (varias horas o días para analizar una vivienda).
Algunos sistemas más recientes, como Ecotect, Ve-Ware y Beopt, podemos considerarlos como más balanceados o «intermedios», ya que combinan una variedad de capacidades, con una operación relativamente sencilla, precio intermedio y requerir un dominio general del tema. Permitiendo en pocas horas un estudio energético global de una vivienda.
Este panorama revela una variedad diferenciada de sistemas disponibles para estudios energéticos de edificación, que pueden utilizarse en diferentes condiciones o fases de diseño
De modo que progresivamente se debe considerar la utilización de sistemas con capacidad y utilización adecuada, que requieren más formación, implementación y tiempo de trabajo (
En etapas avanzadas de desarrollo y en acciones masivas, especialmente de edificaciones existentes, se deben considerar sistemas completos. Los que permiten estudiar características detalladas en situaciones diferentes, revisando componentes o sistemas particulares y su variedad de impactos ambientales. Aunque también en algunas casas singulares por su relevancia social o experimental. Apoyando repercusiones relevantes en los desempeños energéticos.
Normalmente decisiones globales de forma o materialidad pueden lograr amplios mejoramientos, estudiando rápidamente grandes modificaciones con sistemas básicos. Pero también alteraciones constructivas menores o equipamientos especiales pueden generar reducciones masivas. Un software balanceado como BEOPT permite estudios acumulativos y optimización económica. Lo que no considera el popular software Ecotect, sin embargo éste se integra más fácilmente en los proyectos de edificación por su apoyo comercial y presentación gráfica. Del mismo modo, los software básicos son atractivos para los arquitectos, y los más completos, son más comprensibles para los ingenieros de especialidades.
De modo que las condiciones de los sistemas de simulación energéticas establecen variadas opciones para el análisis de viviendas unifamiliares. Promoviendo la utilización de programas básicos para estudios individuales preliminares, sistemas intermedios para una progresión y proyección de los mejoramientos, y más avanzados para desarrollos masivos y especializados.
Varios análisis energéticos de edificios
En primera instancia, se advierten diferencias en las estrategias de modelación de los edificios. Los sistemas de simulación varían en sus operaciones y nivel de detalle requerido (
La descripción de materiales y equipamientos, y sus correspondientes propiedades energéticas, también es una actividad extensa y sujeta a interpretaciones según las categorías disponibles en los programas y los productos existentes en la zona. Especialmente relevantes son la transmitancia térmica de los distintos paramentos (que puede ser indicada o calculada), así como la eficiencia estimada de los equipos de climatización. De los cuales a veces se carece de información de los proveedores o de la ejecución real (por ejemplo, en espesores de materiales interiores en muros, desempeños de calefactores según el combustible utilizado o el aporte latente de equipos domésticos). Las consideraciones de equipamiento en los casos analizados en la zona, parecen tener una incidencia relevante, especialmente por los calendarios de calefacción (que llegan a influir hasta un 48%), aunque las precisiones materiales son escasas. Mientras los mejoramientos sugeridos suelen destacar el aislamiento de la envolvente vertical
También la mayoría de los programas generaliza algunos aspectos como los puentes térmicos, la cantidad de humedad en los materiales y la renovación de aire en los recintos, producto de las infiltraciones. Estas características son muy dependientes de las calidades constructivas locales, y en general se desconoce cabalmente su incidencia en varias tipologías y regiones, pero algunos estudios advierten incidencias altas en el comportamiento energético de las edificaciones
Las características de ocupación usualmente son difíciles de registrar por su variabilidad en el tiempo, pero en edificios residenciales o de trabajo hay hábitos frecuentes. Los programas contemplan registros horarios por recintos, y características de actividades y vestimenta, aunque a veces resultan difíciles de interpretar. También los muebles, cortinas, revestimientos y colores, así como control de aberturas han relevado incidencias en el comportamiento ambiental. En los casos revisados se advirtieron diferencias en los periodos de ocupación declarados por recintos, que estimaban más de la mitad del tiempo efectivamente registrado en las viviendas, sin embargo estos ajustes expresaron luego una baja incidencia en las demandas (cerca del 5%), mientras los estudios de mejoramientos no mencionan estos aspectos. Monitorizaciones regulares han demostrado también una relevante discrepancia entre lo declarado con las situaciones reales
Los archivos climáticos también son un antecedente de los análisis energéticos de edificios que presenta diversas consideraciones. La mayoría de los software utilizan datos climáticos provenientes de grandes centros urbanos (especialmente del hemisferio norte), y reconocen archivos en diferentes formatos (
Un aspecto central en el análisis energético es la condición de confort estimada, que actúa de referencia para la revisión de demandas y desempeños. Aunque existen estándares internacionales, se ha advertido ampliamente sobre la incidencia de factores personales o culturales
En resumen, sobre los antecedentes requeridos para un análisis energético de vivienda unifamiliar, a partir de los aspectos mencionados en estudios en la zona y la comparación de simulaciones de viviendas existentes con registros en terreno, parece relevante elaborar una modelación básicamente adecuada, con una revisión de materiales y equipamientos, atender la ocupación y seleccionar un archivo climático adecuado, considerando especialmente los factores de calidad de construcción y confort esperado (
La información resultante de los software de simulación energética puede ser de variada índole, principalmente valores de demandas de energía en relación a un rango de confort, para distintos periodos temporales (anuales, estacionales o diarios), condiciones, fuentes, cargas, zonas. En distintas unidades de medida o relaciones con la superficie construida u ocupantes del edificio, en tablas numéricas o gráficos de barras. También valores de CO2 producidos por periodos; flujos de energía según partes del edificio; valores o gráficos de radiación solar; iluminación natural en los recintos, consumos de agua o combustibles; comprobación de estándares, asoleamientos del volumen construido en distintos momentos del día o el año, en diferentes puntos de vista, etc. En algunos se pueden revisar representaciones de movimiento de aire, variaciones de temperatura o humedad en los elementos constructivos.
Estos resultados pueden ser provechosos para definir certificaciones, comparar con referencias, revisar alternativas, desarrollar mejoramientos individuales o globales. Algunos permiten integrar costos, efectuar comparaciones con un caso base o entre varias simulaciones consecutivas. Modificando valores o elementos específicos, lo que se denominan «análisis de sensibilidad»
Cuando se combinan dos o más valores independientes en un análisis multi-factorial, usualmente dirigidas a revisar influencias diferentes o relación entre distintos valores de antecedentes y condiciones, realizando una cantidad creciente de simulaciones, se denominan «análisis paramétricos»
En el estudio de alternativas, se suelen realizar flujogramas de las condiciones, tablas de variación y/o gráficos de síntesis (
Algunas alternativas pueden implicar variaciones geométricas, que se pueden preparar en un software de diseño con programación paramétrica de formas y enviarlas directamente al análisis (como Grasshopper-Rhino y Ecotect a través de utilidades como Geco). En una estrategia de «diseño paramétrico» para determinar formas óptimas para ciertas condiciones (
Las capacidades de visualización volumétrica también son relevantes para revisar condiciones cualitativas, ya sea estéticas o culturales. Considerando además que las modificaciones formales suelen tener altas incidencias en los desempeños energéticos, especialmente en construcciones de pequeño tamaño, como las residenciales. De modo que las presentaciones del modelo, con sus alteraciones, así como la integración con otros programas de diseño arquitectónico o visualización avanzada, son importantes para ampliar las condiciones de estudio y sus implicancias. Incluyendo también la resolución constructiva de las modificaciones, que se facilitan con la vinculación de información (transferencia de archivos) con los sistemas de modelación y gestión constructiva, como los software BIM (
La simulación energética está constituida entonces por una secuencia de tareas, centradas en una operación de cálculo, que requiere previamente una modelación y descripción (de acuerdo ciertos antecedentes), y subsecuentemente produce resultados y análisis (
Diversas experiencias de análisis energético de viviendas en la zona
Este trabajo ha identificado sistemas para simulación energética de edificios, revisando condiciones de utilización y capacidades técnicas de una docena de programas o servicios web, especialmente para el estudio de viviendas aisladas. Se ha comprobado una variedad de herramientas disponibles, con un nivel creciente de detalle y requerimientos. Desde sistemas básicos que se pueden ocupar fácilmente, programas intermedios que balancean capacidades y funcionalidad, hasta sistemas avanzados, para estudios más especializados y de alcance amplio, que se pueden utilizar en distintas fases del proyecto, aspectos de estudio y magnitudes de aplicación. Por lo que se sugiere que la selección del software apropiado para el análisis energético de residencias unifamiliares, depende de la fase y extensión de su utilización, y por ende, la implementación requerida, la duración del estudio y características analizadas. Disponiendo de distintas alternativas de programas, que se pueden elegir por facilidades locales (distribuidores, centros de enseñanza o colegas experimentados).
También se han identificado antecedentes de modelación y materialidad, y en especial de la ocupación y clima, que deben estar cabalmente definidos para una simulación adecuada. Revisando en esta región especialmente la infiltración y estimaciones de confort. Se sugiere considerar también el análisis de los resultados, en cuanto a su compatibilidad con las consideraciones arquitectónicas, constructivas y económicas, mediante estrategias de visualización y comparación numérica para identificar aspectos efectivamente relevantes y modificables en el comportamiento energético. Con el fin de determinar mejoramientos fiables y efectivos de la calidad ambiental de las viviendas, en procesos de simulación con un nivel creciente de detalle. Atendiendo condiciones formales, constructivas y climáticas zonificadas, con posibilidades de revisión iterativa y financiera, que pueden redundar en desarrollos significativos del desempeño energético residencial.
Proyecto Fondecyt 1120165 y a los profesionales entrevistados.