En este estudio abordamos el mejoramiento energético y ambiental de un edificio de oficinas que se ubicaría en la avenida Fray Servando Teresa de Mier, en la Ciudad de México. Cuando lo iniciamos el anteproyecto se encontraba ya bastante avanzado, pero pudimos plantear algunas modificaciones que representaban importantes ahorros energéticos, así como mejores condiciones ambientales y de confort. El proyecto contemplaba un edifico de 12 plantas, dos de las cuales serían destinadas a uso comercial, con aproximadamente 4,500 m² construidos.

RESULTADOS MÁS IMPORTANTES:
Como muestra la gráfica de la Figura 1, un conjunto de modificaciones relativamente sencillas, como el uso de vidrios de control solar en las ventanas no protegidas del sol, una ligera reducción del tamaño de las ventanas y la aplicación de un recubrimiento de color claro en los muros exteriores permitiría reducir en un 34% los consumos energéticos asociados a la climatización. Por otro lado, la implementación de medidas relacionadas con los sistemas del edificio, especialmente el uso de un sistema automatizado de control de la iluminación artificial, y de un mecanismo de enfriamiento gratuito en el sistema de refrigeración, permitiría reducir en un 65% los consumos energéticos totales. Con los cambios propuestos, el proyecto incluso ofrece un buen potencial para funcionar en modo pasivo, con lo que podrían eliminarse completamente los consumos energéticos asociados a la climatización. Sin embargo es importante tener en cuenta que la mala calidad del aire exterior y el ruido urbano en la zona puede dificultar el uso intensivo de la ventilación natural.

Figura 1. Resumen de resultados: consumos energéticos anuales.

1. Simulaciones paramétricas iniciales

La primera tarea fue desarrollar el modelo tridimensional del edificio, que se muestra en la Figura 2. Este trata de representar de manera fidedigna sus características geométricas, así como especificar todos los datos asociados a su uso y operación. Es importante señalar que el proyecto incluía una celosía de tabique rojo en la fachada sur. Los análisis demostraron que esa celosía ofrecería una adecuada protección solar, sin sacrificar el desempeño lumínico del edificio.

Figura 2. Imágenes renderizadas del modelo desarrollado en DesignBuilder.

A partir del modelo base, llevamos a cabo una serie de simulaciones paramétricas para investigar el efecto de algunas variables de diseño que podían ser significativas y que aún era posible modificar. Las variables analizadas, que describiremos a continuación, fueron la composición de los cerramientos opacos, el número de vidrios en el acristalamiento, el tipo de vidrio y el tamaño de las ventanas.

Composición de los cerramientos opacos

Respecto a la composición de los cerramientos opacos, se evaluaron opciones relacionadas con la adición de aplanados, la incorporación de aislamiento y la modificación de la absortancia solar de la superficie exterior:

Opción 01 (Original-U3.45-Abs75). Muros de tabique de 12 cm de espesor, aparente en ambas caras (U = 3.45).

Opción 02 (Pintura-U3.45-Abs40). Aplicación de pintura clara en ambas caras del muro de tabique original (U = 3.45). La absortancia solar y visible de las superficies cambia de 0.75 a 0.40.

Opción 03 (Aplanados-U2.32-Abs40). Muro de tabique original + aplanado de yeso al interior + aplanado de vermiculita al exterior (U = 2.32).

Opción 04 (EPS1.0cm-U1.60-Abs40). Muro de tabique original + aplanado de yeso al interior + capa de poliestireno expandido de 1 cm al exterior + aplanado de mortero (U = 1.60).

Opción 05 (EPS2.5cm-U0.95-Abs40). Muro de tabique original + aplanado de yeso al interior + capa de poliestireno expandido de 2.5 cm al exterior + aplanado de mortero (U = 0.95).

Resultados

La gráfica de la Figura 3 muestra los resultados de estas simulaciones. Se observa que al pintar de color claro los muros exteriores de tabique, reduciendo con ello la absortancia solar y visible de 0.75 a 0.40, se logra disminuir las demandas energéticas un 10.7%. En cambio, incrementar el nivel de aislamiento (reducir el Valor-U) siempre representa un incremento de las demandas de enfriamiento y por ende, en este caso, de las demandas totales (la opción 05 contra la 01 representa un incremento del 16%). Esto se debe a que en un clima como el de la Ciudad de México el aislamiento tiende a reducir la disipación de calor, lo cual afecta especialmente a edificios con cargas internas elevadas y uso diurno.

Figura 3. Efecto de la composición de los cerramientos en las demandas energéticas.

Número de vidrios

Llevamos a cabo un par de simulaciones para evaluar el efecto de cambiar el acristalamiento del edificio, de vidrio simple a vidrio doble (con cámara de aire):

Opción 01 (Orig-ClaroSimple-U5.81). Ventanas de aluminio sin ruptura de puente térmico y vidrio claro simple (Factor Solar = 0.85, Transmisión de luz = 0.89, U = 5.81).

Opción 02 (ClaroDoble-U3.11). Ventanas de aluminio sin ruptura de puente térmico y vidrio claro simple (Factor Solar = 0.74, Transmisión de luz = 0.80, U = 3.11).

Resultados

De manera similar al aislamiento, al implementar ventanas con doble vidrio se reduce la transmitancia térmica (Valor-U) y con ello la disipación de calor. Como se observa en la gráfica de la Figura 4, eso produce un incremento de las demandas de enfriamiento y por ende, en este caso, de las demandas totales. El efecto, sin embargo, no es tan acusado, pues el incremento es de apenas el 3.1%.

Figura 4. Efecto del número de vidrios en las demandas energéticas.

Tipo de vidrio y cantidad de acristalamiento

En este conjunto de simulaciones se evaluaron seis opciones relacionadas con el uso de la celosía y de diferentes tipos de vidrio (considerando vidrio simple). Adicionalmente, esas seis opciones se evaluaron considerando la reducción del tamaño de las ventanas, arrojando en total 12 simulaciones. Para este último supuesto se consideró la eliminación de los fijos inferiores en la fachada sur (hasta una altura de 0.9 m) y la reducción de la altura de las ventanas en la fachada norte (de 1.5 a 1.2 m).

Opción 00a (SinCelosia). Proyecto original, pero sin la celosía en la fachada sur. Vidrio claro simple (Factor Solar = 0.85, Transmisión de luz = 0.89, U = 5.81).

Opción 00b (SinCelosia-VR). Igual que la anterior pero con ventanas reducidas.

Opción 01a (Orig-Claro). Proyecto original con la celosía en la fachada sur. Vidrio claro simple (Factor Solar = 0.85, Transmisión de luz = 0.89, U = 5.81).

Opción 01b (Orig-Claro-VR). Igual que la anterior pero con ventanas reducidas.

Opción 02a (LightBlue52). Vidrio LightBlue52 en ventanas no protegidas por la celosía ni por las escaleras exteriores (Factor Solar = 0.59, Transmisión de luz = 0.51, U = 5.67).

Opción 02b (LightBlue52-VR). Igual que la anterior pero con ventanas reducidas.

Opción 03a (Silver32). Vidrio Silver32 en ventanas no protegidas por la celosía ni por las escaleras exteriores (Factor Solar = 0.39, Transmisión de luz = 0.32, U = 4.84).

Opción 03b (Silver32-VR). Igual que la anterior pero con ventanas reducidas.

Opción 04a (Silver20). Vidrio Silver20 en ventanas no protegidas por la celosía ni por las escaleras exteriores (Factor Solar = 0.29, Transmisión de luz = 0.20, U = 4.12).

Opción 04b (Silver20-VR). Igual que la anterior pero con ventanas reducidas.

Opción 05a (Neutral14). Vidrio Neutral14 en ventanas no protegidas por la celosía ni por las escaleras exteriores (Factor Solar = 0.25, Transmisión de luz = 0.14, U = 4.23).

Opción 05b (Neutral14-VR). Igual que la anterior pero con ventanas reducidas.

Resultados

De acuerdo con los resultados, que se muestran en la gráfica de la Figura 5, la incorporación de la celosía en la fachada sur, conforme al proyecto original, representa una diminución muy importante de las demandas energéticas. Por si sola, aunque aumenta ligeramente las demandas de calor, esta medida representa una disminución del 44% en las demandas energéticas totales. Por otro lado, la reducción del factor solar del vidrio en el acristalamiento no sombreado también disminuye las demandas energéticas totales. Por ejemplo, la diferencia entre la opción 01 (proyecto original) y la opción 05 (con vidrio Neutral14), que es la que produce las menores demandas energéticas, es del 22%. Finalmente, se observa que la reducción de la cantidad de acristalamiento representa una disminución de las demandas en aproximadamente un 10%, lo cual es una mejora significativa.

Figura 5. Comparación de demandas energéticas. Tipo de vidrio y tamaño de ventanas.

2. Evaluación de la iluminación natural

Con base en las mismas opciones evaluadas respecto al tipo de vidrio y cantidad de acristalamiento (ver punto anterior), también analizamos el nivel de aprovechamiento de la iluminación natural, un aspecto de especial importancia en edificios de oficina. Para ello usamos el módulo Iluminación de DesignBuilder, el cual integra los motores de cálculo de Radiance y Daysim.

El principal indicador empleado fue el valor de UDI (Iluminancia útil de luz diurna, por sus siglas en inglés), que considera las condiciones lumínicas reales del sitio y mide el porcentaje de tiempo en el que el nivel de iluminancia se encuentra dentro de un rango determinado, en este caso entre 200 y 2000 lux. Cuando la iluminancia se encuentra fuera de ese rango, se considera que la luz natural no es útil, ya sea porque es demasiado baja (falta de luz natural) o demasiado alta (produciendo deslumbramiento y disconfort térmico y lumínico).

La Figura 6 muestra la distribución espacial de los valores de UDI, es decir, el porcentaje de tiempo que cada punto del espacio se encuentra dentro del rango establecido. Es importante tener en cuenta que solo se consideran los periodos ocupados.

Figura 6. Iluminancia útil (UDI) para opciones Neutral14 (izquierda) y Neutral14-VR (derecha).

Los resultados indican que, sin la celosía incluida en el proyecto original, las condiciones lumínicas serían claramente inadecuadas, principalmente por la cantidad excesiva de radiación solar que ingresa a través de las fachadas sur y este. En otras palabras, la implementación de la celosía representa una mejora evidente de las condiciones lumínicas, aunque sigue habiendo condiciones no óptimas en las zonas cercanas a la fachada norte y sobre todo en la zona ubicada al este. Por otro lado, la implementación de vidrios especiales en las ventanas no sombreadas mejora de manera significativa las condiciones lumínicas. De hecho, mientras más pequeño es el factor solar, mayor la mejora.

La gráfica de la Figura 7 permite comparar de manera más cuantitativa el desempeño lumínico de las diferentes opciones, ya que muestra el porcentaje del área que se mantiene dentro de los límites UDI (entre 200-2000 lux) al menos durante el 50% del tiempo con ocupación. Aquí se observa también que, con las soluciones más eficientes, reducir la cantidad de acristalamiento empeora el desempeño lumínico del edificio. Sin embargo, ese empeoramiento es bastante limitado: apenas una reducción del área en torno al 2.5%. Eso significa que es posible reducir la cantidad de acristalamiento, al menos hasta cierto punto, sin sacrificar la calidad de la iluminación natural.

Figura 7. Porcentaje del área que cumple con los límites UDI por lo menos el 50% del tiempo ocupado.

3. Modelo mejorado y  sistemas

En esta fase desarrollamos un modelo mejorado, combinando las mejores opciones identificadas en las fases anteriores y tratando al mismo tiempo de reducir los costos de las modificaciones. Dicho modelo tendría las siguientes características:

• Vidrio claro en las ventanas protegidas por la celosía y por las escaleras exteriores. Vidrio Silver 32 en las ventanas no protegidas por la escalera exterior en la fachada norte. Vidrio Neutral 14 en las ventanas de la fachada este.
• Reducción de la cantidad de acristalamiento en las fachadas sur y norte.
• Pintado de los muros exteriores de tabique para disminuir sus valores de absortancia solar y visible.

Luego, con el modelo mejorado como base, evaluamos algunas estrategias de ahorro energético asociadas a los sistemas del edificio: control de la iluminación artificial, enfriamiento gratuito, recuperación de calor y ventilación mixta. En total, estas fueron las soluciones evaluadas:

Opción 01 (Original). Proyecto original, empleado como referencia para evaluar las mejoras.

Opción 02 (Mejorado). Modelo mejorado con las medidas descritas arriba. Representa la mejora conseguida exclusivamente con las modificaciones al diseño arquitectónico.

Opción 03 (Mejorado+CI). Igual que Solución 02, pero considerando el uso de un sistema automatizado de control de la iluminación artificial a partir de la disponibilidad de luz diurna.

Opción 04 (Mejorado+EnfriamGrat). Igual que Solución 02, pero considerando enfriamiento gratuito en el sistema de refrigeración.

Opción 05 (Mejorado+RecupCalor). Igual que Solución 02, pero considerando recuperación de calor en los sistemas de calefacción y refrigeración.

Opción 06 (Mejorado+VentMixta). Igual que Solución 02, pero considerando el uso de ventilación mixta (mecánica/natural) controlada de manera automatizada.

Opción 07 (Mejorado+CI+EnfriamGrat). Igual que Solución 02, pero considerando el control de la iluminación artificial y el enfriamiento gratuito en el sistema de refrigeración.

Resultados

En este caso, para comparar las opciones simuladas usamos los consumos energéticos anuales. De esa manera es posible considerar también el impacto en los consumos asociados a la iluminación, y no solo los asociados a los sistemas de climatización. De acuerdo con los resultados que se muestran en la gráfica de la Figura 8, la Solución 02 (en la cual solo se aplican las medidas arquitectónicas) ofrece una reducción de aproximadamente 34% en los consumos energéticos asociados a la refrigeración y la calefacción, la cual es bastante significativa. En lo que respecta a las medidas asociadas a los sistemas, las que ofrecen mayor beneficio son la implementación de un sistema automatizado de control de la iluminación artificial, y el uso de enfriamiento gratuito (free cooling) en el sistema de refrigeración. Cuando se aplican estas dos estrategias (Solución 07) se logra un ahorro del 65% en los consumos energéticos totales del proyecto original.

Figura 8. Comparación de consumos energéticos, modelo mejorado con estrategias asociadas a los sistemas.

4. Evaluación del desempeño en modo pasivo

En la fase final del estudio analizamos el desempeño del modelo mejorado en modo pasivo. El objetivo era averiguar hasta qué punto el edificio, una vez aplicadas las mejoras, podía ofrecer adecuados niveles de confort sin recurrir a sistemas mecánicos de climatización, evitando de esa manera los consumos energéticos correspondientes. Para efectuar el análisis llevamos a cabo una simulación considerando solo la ventilación natural como recurso de enfriamiento. Adicionalmente, llevamos a cabo una simulación con el módulo CFD de DesignBuilder para comprobar las condiciones ambientales conseguidas.

Resultados

A partir de los resultados de la simulación en modo pasivo, calculamos las condiciones de confort a lo largo del año con base en el método adaptativo del estándar ASHRRAE 55-2017, el cual aplica para edificios sin sistemas mecánicos de climatización. La Figura 8 y la Tabla 1 muestran los resultados para una planta tipo del edificio. La gráfica permite visualizar la ubicación de cada uno de los puntos medidos respecto a las zonas de 80 y 90% de aceptabilidad establecidas por el estándar (que indican que de cada 100 personas 80 y 90 se sentirían confortables, respectivamente). Cada punto está determinado por la temperatura exterior media predominante y la temperatura operativa interior. La tabla, por otro lado, contabiliza el número de puntos medidos dentro y fuera de las zonas de aceptabilidad.

Figura 9. Resultados de confort adaptativo conforme al estándar ASHRAE 55-2017.

Tabla 1. Resultados de confort adaptativo conforme al estándar ASHRAE 55-2017.

Los resultados indican que el 91.81% de las horas medidas válidas quedan dentro de la zona de 80% de aceptabilidad. De las horas que quedan fuera de esta zona, sólo el 1.05% corresponde a condiciones de calor. Si observamos la zona de 90% de aceptabilidad, que es más estricta, el 77.75% de las horas queda dentro, y de las que quedan fuera un 4.27% corresponden a condiciones de calor. Estos datos indican que, si se siguen las recomendaciones y se emplea correctamente la ventilación natural, el edificio podría funcionar en modo pasivo durante casi todo el año.

Nota: Un análisis más detallado arroja que las condiciones de frío solo se dan en las primeras horas de la mañana. Se asume que esas condiciones son fácilmente resueltas con la vestimenta de los ocupantes.

En lo que respecta al análisis CFD, que se efectúo para un día típicamente cálido a las 12:00 pm, las gráficas de las Figuras 10 y 11 muestran los resultados de distribución espacial de la temperatura operativa y el porcentaje de personas en disconfort.

Figura 10. Simulación CFD. Proyecto mejorado en modo pasivo – Temperatura operativa.

Figura 11. Simulación CFD. Proyecto mejorado en modo pasivo – Porcentaje de personas en disconfort.

Estos resultados muestran una distribución bastante uniforme de las temperaturas operativas, que en general se ubican en un rango aproximado entre 25 y 27ºC. Por otro lado, el porcentaje de personas en disconfort se mantiene muy cerca del 5% en prácticamente todo el espacio de oficinas. Estos datos refuerzan la conclusión de que el edificio podría funcionar en modo pasivo durante buena parte del año.

Nota importante: Si bien los análisis desarrollados muestran que el edificio, de aplicarse las estrategias recomendadas, podría funcionar en modo pasivo durante gran parte del año, es importante tener en cuenta que la baja calidad del aire y el ruido urbano en esa parte de la Ciudad de México podrían dificultarlo, sobre todo por lo que respecta al uso intensivo de la ventilación natural.

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