1. CONTEXTOTop

Este trabajo se lleva a cabo entre la aprobación de las directivas europeas sobre eficiencia energética en los edificios EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) 2002/91/EC y EPBD 2010/31/UE que deroga la primera, entre cuyos objetivos está el fomento de la eficiencia energética de los edificios de la UE. Las directivas establecen, entre otras exigencias, las de la metodología de cálculo de la eficiencia energética de los edificios y su certificación energética (1) y (2).

Las EPBD se transponen a la legislación española mediante: el Código Técnico de la Edificación (CTE) y su Documento Básico HE: Ahorro de energía, en los que se establecen las exigencias de eficiencia energética que deben cumplir los edificios; el Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE); y el Real Decreto 235/2013 por el que se aprueba el procedimiento básico para la certificación de la eficiencia energética de los edificios. Este RD establece que el certificado debe contener la calificación de eficiencia energética del edificio (3). La calificación se expresa mediante una letra, desde la letra A, para los edificios más eficientes, a la letra G para los menos eficientes. El programa de referencia para el cálculo de la calificación energética de los edificios residenciales, y del pequeño y mediano terciario, de nueva construcción para la opción general es Calener VyP.

La entrada en vigor en España en el año 2007 de la certificación energética de edificios de nueva construcción es una oportunidad para estudiar la importancia que el consumo energético tiene para los consumidores y su influencia en la decisión de comprar una vivienda (4). El proyecto PRECOST&E, que comienza en 2009, surge por iniciativa de la Fundación ASPRIMA de promotores inmobiliarios y de sus patrocinadores –empresas y fabricantes del sector energético y de la construcción– con el objetivo de conocer qué esfuerzos y costes implican el cumplimiento del documento DB HE-1, que establece la exigencia básica Limitación de demanda energética, y la obtención de una buena calificación, cómo ésta influye en las necesidades del consumo de energía, así como las repercusiones de todo ello en el presupuesto de un edificio.

2. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOSTop

Para mejorar la eficiencia energética de un edificio y reducir sus emisiones de CO2 es necesario conocer los factores que influyen en su demanda energética. Estos dependen del tipo de edificio, su diseño, el clima, la orientación y las propiedades y prestaciones térmicas de los elementos constructivos (5).

El consumo de energía en un edificio de viviendas está condicionado, además de por los elementos anteriores, por los sistemas de climatización y su consumo asociado. Ambos elementos se han convertido, con la consolidación de la demanda de confort térmico, en otro de los factores fundamentales de la eficiencia energética de un edificio (6).

De acuerdo con algunos autores (7), la aplicación de medidas de ahorro energético en edificios de viviendas supone una inversión directamente relacionada con el ahorro energético que se obtiene. Para que las medidas sean económicamente rentables, el ahorro de costes en energía debe ser mayor que la inversión realizada en relación a un plazo determinado. Otros investigadores han señalado la relación causa-efecto entre las mejoras medioambientales y la inversión económica, y cómo el éxito de un edificio sostenible implica tener en cuenta desde el principio esta relación dentro de la gestión empresarial (8).

Este trabajo se realiza sobre un modelo teórico en un periodo de tiempo fijo. Por lo tanto los resultados no tienen en cuenta el cambio climático durante la vida del edificio para la valoración de la demanda energética, y los costes de los materiales y productos de construcción, sistemas energéticos, combustibles e hipotecas se refieren a un tiempo determinado.

Los objetivos del trabajo son:

• Evaluar, en este caso de estudio, la relación que se establece entre las distintas calificaciones energéticas, el coste económico necesario para alcanzar cada una de ellas, y sus costes y ahorros energéticos. Las mejoras de la eficiencia energética del edificio se obtienen combinando soluciones activas y pasivas que son comunes en los edificios residenciales.
• Definir una metodología que permita a arquitectos y promotores tomar decisiones en la fase de proyecto para mejorar la eficiencia energética de un edificio y optimizar las medidas de ahorro de energía de acuerdo con aspectos medioambientales y económicos. Esta metodología se basa en los siguientes criterios: minimizar los costes constructivos y de las instalaciones térmicas y reducir la demanda energética de calefacción y las emisiones de CO₂ que genera el edificio (9).
• Estudiar la relación entre la calificación energética total del edificio y la de cada una de sus viviendas según su orientación.
• Identificar las limitaciones de los programas oficiales utilizados para la calificación energética de edificios de viviendas para saber cómo influyen en los resultados del estudio.

Finalmente se debe indicar que se ha tomado como referencia el año de proyecto, 2007, para que los costes de las modificaciones que se plantean sean los que hubiera habido de haberse introducido cualquiera de las modificaciones propuestas, de forma que resulten comparables a los reales de la ejecución. No se trata de saber lo que costarían ahora las modificaciones que se proponen, sino de compararlas con los costes habidos, estableciendo porcentualmente las variaciones de presupuesto. Por otro lado, los datos económicos no se pueden actualizar por medio de bases de datos ya que la mayoría de los precios de materiales de construcción son los que figuraban en el presupuesto del proyecto y no se conocen las referencias (o bases de datos) que se manejaron originalmente. Cabe añadir que, de haberlas manejado, los costes de las bases de datos siempre serían aproximados al no tener en cuenta aspectos como descuentos por volumen o por relación con el fabricante, situación del inmueble, etc. Solo para los materiales nuevos, que son una minoría, se utilizaron bases de datos de precios de la construcción. Y en el caso de los sistemas energéticos, los costes fueron proporcionados directamente por los promotores del estudio.

3. METODOLOGÍATop

Los pasos que se han seguido en el análisis del caso de estudio son:

• La selección del proyecto y el análisis de su documentación.
• La caracterización del caso de estudio, que incluye la modificación del proyecto original para que cumpla la normativa vigente de eficiencia energética (DB HE: Ahorro de energía).
• La comprobación, con el programa Lider, de que el edificio cumple el DB HE-1. El cálculo de la calificación energética con Calener VyP.
• La caracterización de las soluciones activas y pasivas que influyen en la eficiencia energética del edificio: selección, definición, presupuesto y evaluación con Ce2.
• La selección de las soluciones evaluadas y la definición de 14 hipótesis combinando esas medidas pasivas y activas. El cálculo del presupuesto de las hipótesis.
• El cálculo, con Calener VyP, de la calificación energética de las hipótesis.
• La obtención de resultados de la calificación energética y de la evaluación económica de las hipótesis: emisiones de CO₂ (kgCO₂/m² año), demandas de energía (kWh/ m² año), consumos y ahorros de energía (kWh/ m² año), costes y ahorros en consumo de energía (€/m² año, %), etc.
• La obtención de conclusiones generales, económicas y sobre los programas utilizados.

Los programas de cálculo que se han utilizado en el estudio son: Lider (10), Calener VyP (11), y el Procedimiento Simplificado para la Certificación de Eficiencia Energética de Edificios de Viviendas Ce2 (12).

Uno de los objetivos del estudio es facilitar una metodología para la selección de medidas de mejora de la eficiencia energética de un edificio, por lo que los programas utilizados son promovidos o reconocidos por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, gratuitos y de libre acceso.

Ce2, reconocido en noviembre de 2008, se ha utilizado para analizar el impacto que tiene cada una de las medidas de mejora de la eficiencia energética sobre la calificación energética del edificio. El edificio cumple los requisitos para que su calificación energética se pueda calcular por un método simplificado (edificio de viviendas, porcentaje de huecos en fachada menor del 60%, etc.)

Con Lider se ha verificado que el caso de estudio cumple la exigencia de limitación de demanda energética (HE-1).

Calener VyP se utiliza para calcular la calificación energética del proyecto en las diferentes hipótesis (Figura 1). Los resultados obtenidos en este estudio están condicionados por el programa, pero al ser la herramienta para la opción general proporciona cálculos más precisos que los procedimientos simplificados. Esta herramienta es similar a otras utilizadas para certificados de eficiencia energética, o adaptadas para el estudio de la envolvente del edificio (13).

Figura 1. Geometría 3D del proyecto en Calener VyP.

El programa realiza los cálculos energéticos mediante un procedimiento de validación, a través de la comparación con un modelo de referencia de características similares al edificio objeto (14). Genera una etiqueta con la calificación energética del edificio desde la A a la E, que son las calificaciones admitidas para edificios de nueva construcción. La calificación se establece en función de las emisiones de CO₂ (kgCO₂/m² año) y además se obtienen resultados de las demandas energéticas y los consumos de energía primaria y final.

Esta calificación energética tiene en cuenta la energía consumida en climatización y producción de ACS del edificio. No valora por lo tanto la iluminación, la energía contenida en los materiales que forman la envolvente o la fabricación de los sistemas.

4. EL EDIFICIO CASO DE ESTUDIOTop

El caso de estudio es un edificio de viviendas en bloque situado en el Programa de Actuación Urbanística (PAU) de Vallecas. Su proyecto ha sido facilitado por la Empresa Municipal de la Vivienda y Suelo (EMVS) de Madrid a través de la asociación de promotores inmobiliarios impulsora del estudio.

El edificio está exento y se compone de cuatro bloques con orientaciones norte-sur y este-oeste colocados alrededor de un patio central (Figuras 2 y 3). Cada bloque consta de una planta sótano para garaje y trasteros, una planta baja de acceso con pequeños locales comerciales, y cinco plantas de viviendas. Los cinco pisos superiores albergan 143 apartamentos de 2, 3, 4 ó 5 dormitorios y una superficie útil entre 56 m² y 103 m². La superficie construida sobre rasante es de 14.346,74 m².

Figure 2. Alzado exterior norte del proyecto

Figura 3. Planta tipo y esquema de distribución de las viviendas

Las viviendas se sitúan a ambos lados de un pasillo común de tal manera que los diferentes tipos de vivienda se encuentran en las cuatro orientaciones (Figura 3).

Los motivos de selección de este edificio, entre los proyectos disponibles, han sido:

• Es un bloque de viviendas de promoción pública y cumple los requisitos y módulos de la vivienda protegida.
• Sus características constructivas permiten la modificación de los sistemas constructivos y energéticos para obtener las diferentes calificaciones energéticas en el desarrollo del estudio.
• Su calificación energética es la más baja -una D- entre los edificios disponibles.
• Las diferentes tipos de vivienda se encuentran en las cuatro orientaciones. Esto permite evaluar la relación entre la orientación y la calificación energética en este proyecto

El proyecto del edificio es del año 2006-2007, y anterior a la entrada en vigor del CTE. Para que cumpla el DB HE se mejoran las características térmicas de los vidrios y se aumenta el aislamiento térmico en algunas zonas comunes del edificio. Este proyecto modificado se considera el caso de estudio.

Lider verifica que se cumplen los requisitos de limitación de la demanda energética. El presupuesto del proyecto, incluidas las modificaciones para cumplir el DB HE-1, es de 13.981.908 €. La Tabla 1 muestra la definición de los elementos de la envolvente del edificio y sus valores de transmitancia térmica. También se indican los valores límite de los parámetros característicos medios de la envolvente para la zona climática D3 (Madrid), teniendo en cuenta que la proporción de huecos en todas las fachadas está entre el 31 y el 40%.

Por lo que respecta a los sistemas energéticos, el edificio cuenta con un sistema centralizado de calefacción y apoyo de agua caliente sanitaria (ACS) con gas natural, y un sistema solar térmico de producción de ACS que cubre el 70% de la demanda. Esta proporción es la contribución solar mínima establecida por el DB HE-4: Contribución solar mínima de agua caliente sanitaria para este edificio.

El sistema mixto de calefacción y ACS consta de: una caldera estándar de 310 kW de potencia nominal y un rendimiento del 85%, y una caldera de condensación de 285 kW de potencia nominal y un rendimiento del 95%. Los emisores son radiadores de chapa de acero.

No existe sistema de refrigeración.

La calificación energética del caso de estudio, calculada con Calener VyP, es D. Según los resultados del programa el edificio genera unas emisiones de 17,5 kgCO₂/m² año y un consumo de energía final de 66 kWh/m² año.

5. MEDIDAS QUE MODIFICAN LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL EDIFICIOTop

Las diferentes calificaciones energéticas se consiguen modificando algunas soluciones constructivas y los sistemas energéticos del proyecto. Estas modificaciones, llamadas medidas, se evalúan primero de forma individual, para ver cómo influyen en la eficiencia energética del edificio, y luego se agrupan formando hipótesis.

Como el estudio parte de un proyecto definido, no se han modificado la ubicación, orientación, volumen, coeficiente de forma del edificio o la situación de las viviendas en el bloque. Estos cambios podrían significar mejoras sustanciales en la calificación energética (15). La única modificación del diseño que se ha evaluado, para conseguir las calificaciones energéticas más altas, es la reducción del porcentaje de superficie de ventanas en las fachadas.

Las medidas seleccionadas son soluciones constructivas y sistemas energéticos habituales en edificios residenciales en Madrid. Se eligen en función de: la adecuación al proyecto y a la zona climática, la relación coste-beneficio, las soluciones constructivas y las instalaciones aportadas por los promotores del estudio y la normativa vigente.

Las medidas se dividen en:

• Medidas pasivas: actuaciones en la envolvente (el aumento del aislamiento en los cerramientos exteriores, la mejora de las características térmicas de los huecos y la colocación de elementos de protección solar); las modificaciones en la ventilación y la reducción del porcentaje de huecos en las fachadas en función de la orientación.
• Medidas activas: la sustitución de las instalaciones de calefacción y ACS por otros sistemas energéticos, la utilización de diferentes tipos de combustible (electricidad, gas natural) y el aumento del porcentaje de la demanda de ACS cubierta por energía solar térmica.

6. HIPÓTESISTop

Las 14 hipótesis de cálculo que se resumen en la Tabla 2 son el resultado de la combinación de las medidas pasivas y activas. Para cada hipótesis se señalan las medidas que se han considerado para el cálculo de la calificación. Las medidas se seleccionan teniendo en cuenta la mejora de la eficiencia energética que proporcionan y su coste. La hipótesis H4 es el caso de estudio.

Se ha elaborado un presupuesto para cada una de las hipótesis a partir de los precios calculados para cada medida. Las modificaciones en las partidas del presupuesto se han realizado sobre el presupuesto original (13.981.907,67 €) y manteniendo la estructura, los criterios de medición y los precios 2007, la fecha del proyecto.

La calificación energética de las 14 hipótesis se calcula con Calener VYP. El programa permite evaluar el efecto que tienen en la calificación energética del edificio las modificaciones en la envolvente y en los sistemas energéticos.

Algunas de las hipótesis tienen un comportamiento energético peor que el edificio de partida. Como el objetivo del trabajo es evaluar económicamente las diferentes calificaciones, a partir de la calificación D se han realizado modificaciones para reducir la calificación a la letra E.

Ciertos autores sostienen que los métodos y herramientas utilizados para la evaluación de la eficiencia energética tienen limitaciones que pueden reducir su eficacia y utilidad (22). En este trabajo también se han obtenido conclusiones sobre las limitaciones de Calener VyP. Una de ellas es que el programa calcula un resultado global para el edificio pero no se pueden considerar espacios independientes.

Teniendo en cuenta los archivos de resultados que genera el programa y la ubicación de las viviendas, se ha calculado la calificación energética en las diferentes orientaciones del edificio. Así, para cada una de las 14 hipótesis, se obtiene una calificación global del edificio y las calificaciones energéticas de las viviendas agrupadas según su orientación (Norte, Sur, Este y Oeste).

7. RESULTADOSTop

Las medidas se combinan en 14 hipótesis para obtener las diferentes calificaciones energéticas. El cálculo de las hipótesis proporciona una calificación energética del edificio y resultados parciales para cada orientación, las emisiones de CO₂ (kgCO₂/m² año) y las demandas de energía (kWh/m² año) asociadas a calefacción, refrigeración y ACS (Tabla 3). Además el programa proporciona valores de la energía final consumida en calefacción, refrigeración y ACS.

Las hipótesis han dado lugar a calificaciones energéticas desde la E (H1, 39,2 kgCO₂/m² año) a la B (H14, 9,3 kgCO₂/m² año), sin que se haya logrado la calificación A. Las mismas calificaciones energéticas se pueden conseguir con diferentes combinaciones de medidas activas y pasivas, aunque con resultados diferentes desde el punto de vista medioambiental (kgCO₂/m² año) y económico (coste en €/m²).

La mejor calificación se ha logrado mediante la reducción de los huecos de la fachada norte en un 20%; la colocación de protecciones solares en la fachada sur, este y oeste; el aumento del aislamiento térmico en los cerramientos exteriores hasta alcanzar una transmitancia de 0,15 W/m²K; la mejora de las características térmicas de las ventanas y la reducción de la ventilación. Se ha considerado además un sistema colectivo de calefacción y ACS con gas natural, con calderas de condensación, calefacción por suelo radiante y una cobertura del 80% de la demanda de ACS mediante energía solar térmica.

La calificación E se ha obtenido sin hacer cambios en el sistema constructivo del edificio y sustituyendo el sistema energético original por uno individual con un termo eléctrico y radiadores eléctricos, y manteniendo el porcentaje del 70% de cobertura de producción de ACS con energía solar térmica.

Con los datos proporcionados por Calener VyP se puede calcular el coste del consumo de energía del edificio y el ahorro que supone una mejor calificación energética. Como muestra la Tabla 4, es posible relacionar la calificación energética, el precio de cada hipótesis y el consumo de energía y su coste. Para calcular el coste del consumo se ha considerado solo el gasto de energía –sin tener en cuenta el término fijo, alquileres o impuestos– y los precios de los combustibles del año del estudio.