THE AUTONOMOUS OFFICE

THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office
building
(LIFE11 ENV/ES/622)
Estrategia de diseño para un menor consumo energético
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
1. Introducción
En este documento, se presenta la estrategia de diseño que se ha llevado a cabo para
que la energía consumida por el edificio sea mínima, así como los resultados obtenidos
de diferentes simulaciones computacionales dinámicas.
En primer lugar, gracias a un diseño arquitectónico bioclimático, la demanda energética
se reduce de manera importante. La ubicación, la orientación y la forma del edificio, el
aprovechamiento de la luz natural, el control solar y la elección de los materiales son los
principales aspectos que se han considerado para poder obtener una demanda
energética de 116 406 kWh/año o 94 kWh/m2·año. Un estudio realizado refleja una
demanda media de energía en edificios similares de 185 kWh/m2·año, por lo que sólo
mediante estrategias pasivas se consigue reducir la demanda casi a la mitad.
En segundo lugar, en la elección de los equipos e instalaciones se ha tenido en cuenta
fundamentalmente la eficiencia energética. La ventilación mecanizada con
recuperadores de calor y un sistema de forjados inerciales mantiene al edificio en
condiciones de confort térmico la mayor parte del tiempo. En las horas restantes, dos
bombas de calor de alto rendimiento sirven de apoyo. El uso de luminarias LED y
ascensores, ordenadores y equipos eléctricos de bajo consumo reduce aún más el
consumo eléctrico del edificio. Todo ello junto al uso de sistemas informáticos de control
y gestión permite estimar una demanda energética de 71 289 kWh/año o 57
kWh/m2·año.
Se pretende satisfacer el máximo de la demanda energética por medio de energías
renovables instaladas en el propio edificio. En este sentido, la principal fuente de
generación será la integración fotovoltaica (BIPV), que consiste en la sustitución de
materiales tradicionales de construcción por materiales fotovoltaicos multifuncionales.
Así, además de producir electricidad de manera limpia gracias al sol, se reduce la
demanda energética de los sistemas de climatización e iluminación, mediante el control
solar y el incremento del aislamiento térmico y acústico.
Gracias al uso de 3 tecnologías diferentes: mono-Si (silicio mono-cristalino), a-Si (silicio
amorfo) y CIGS (cobre, indio, galio y selenio), se cubrirá más de la mitad de la
electricidad requerida. La biomasa, la mini eólica y el hidrógeno como vector energético
son el resto de los interesantes sistemas propuestos para conseguir un edificio casi
energéticamente autónomo. Se estima que las renovables generarán 58 028 kWh/año,
que equivale al 81% de la energía eléctrica total demandada.
Por último, un sistema de gestión eficiente del agua y la incorporación de un punto de
recarga de coche eléctrico, contribuyen a incrementar el carácter sostenible e innovador
del proyecto.
Así pues, la construcción de Edificios de Consumo Casi Nulo (ECCN) respetuosos con
el medio ambiente es posible. Dar a conocer los resultados de experiencias y casos
reales es fundamental para que cada vez sean más numerosos este tipo de edificios.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |1
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
2. Diseño arquitectónico
Diferentes estudios confirman que, gracias a un buen diseño que tenga en cuenta
aspectos bioclimáticos, es posible obtener una demanda energética de 110 kWh/m2·año
en edificios de oficinas.
2.1 Factores de la localización y entorno
La parcela donde se sitúa el edificio, dentro del Parque Científico y Tecnológico de Gijón,
es rectangular, con un área total de 1050 m2 y presenta un desnivel de 2,5 m entre el
extremo norte y sur. Al norte y al oeste linda con un espacio verde, al este con otra
parcela urbana del parque, y al sur con un espacio verde y un acceso rodado del interior
del parque. Gijón tiene un clima atlántico húmedo, con temperaturas no extremas en
todo el año por la proximidad al mar y su baja altitud (temperaturas medias de 9,5 ºC en
invierno, 19,5 ºC en verano, y media anual de 14 ºC). Los veranos no son
extremadamente cálidos, predominando los días nublados y soleados. Por el contrario,
en invierno son frecuentes las lluvias. Las nieblas son extrañas y poco densas, y los
fuertes vientos ocasionales.
2.2 Forma y orientación del edificio
Un edificio con forma compacta permite minimizar las ganancias y pérdidas de calor a
través de la superficie que envuelve al edificio, siendo la esférica teóricamente la ideal.
Pero un edificio de forma esférica no es fácil de construir, por lo que el cubo se convierte
así en la geometría que minimiza el área de la envolvente de un edificio y
consecuentemente las transferencias de calor a través de ella.
Sin embargo, un edificio cúbico supondría que a buena parte del área de las oficinas no
llegaría la luz natural, por lo que el alargamiento del cubo en el eje este-oeste permite
resolver este problema resultando un edificio orientado norte-sur para optimizar la
radiación solar y la luz natural en el interior. Además, esta geometría optimiza también
la ventilación natural cruzada.
2.3 Luz natural y ganancias térmicas
El edificio tiene grandes superficies acristaladas en la fachada norte para el
aprovechamiento de la luz natural con elementos de sombreamiento graduables, y
adaptarse a las necesidades de los usuarios en función de las condiciones climáticas
exteriores. Además, como se observa en la figura 2, la fachada sur cuenta con una doble
piel sobre una estructura de madera en forma de tobogán, donde se alternan vidrios
fotovoltaicos de diferentes transparencias ubicados estratégicamente para evitar las
ganancias solares térmicas en verano y permitir la relación visual con el entorno natural.
Así, además de un efecto visual llamativo y atractivo, se produce energía eléctrica y se
evita un exceso de demanda de refrigeración.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |2
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
Figura 2. Modelo 3D del edificio (E+E, 2013)
Los gráficos de las figuras 3 y 4 muestran los resultados a lo largo de un año (intervalos
de una hora) obtenidos de simulaciones de 2 soluciones diferentes de sombreamiento
en la fachada sur. La figura 3 corresponde a un primer diseño y la figura 4 al diseño final
en el cual se extiende el periodo de bajas ganancias solares de abril a octubre.
Figura 3. Diseño inicial, ganancias térmicas solares (ARUP, 2013)
Figura 4. Diseño final, ganancias térmicas solares (ARUP, 2013)
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |3
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
La figura 5 muestra que el número de horas en las que la temperatura se sitúa dentro
del rango de confort es superior gracias al diseño de los elementos de sombreado (línea
azul).
Figura 5.Temperaturas a lo largo de un año, diseño inicial y final (ARUP, 2013)
2.4 Programa funcional
El edificio consta de planta baja, 2 plantas superiores y un sótano donde se encuentran
todos los espacios necesarios para las instalaciones del edificio, el aparcamiento para
coches con un punto de recarga de coche eléctrico y bicicletas, una zona de estudio,
una cafetería y un gimnasio alrededor de un patio inglés que permite la entrada de luz
natural y la ventilación.
El resto de las plantas incluyen zonas de trabajo abiertas, despachos privados y salas
de reuniones, todas ellas con ventilación e iluminación natural. La idea es crear espacios
permeables y versátiles, con conexiones visuales entre el exterior y el interior del
edificio.
La entrada por la fachada sur de la planta principal está marcada por el eje norte-sur. El
acceso es perpendicular a la calle y mediante una pasarela atraviesa el espacio del patio
inglés inferior. La comunicación vertical se concentra también en la fachada sur
actuando como un filtro a las radiaciones solares.
El edificio tiene una cubierta ajardinada, parcialmente cubierta con vidrios fotovoltaicos
fijados a la misma estructura de madera que cubre la fachada sur y que continúa por la
cubierta del edificio.
2.5 Soluciones constructivas
Mejorar la envolvente de los edificios con medidas pasivas es la estrategia más
importante para reducir la demanda energética.
Las fachadas ventiladas, gracias a la cámara de aire ventilada y a la capa de material
aislante, aumentan el aislamiento acústico y térmico evitando el calor que los edificios
absorben en los meses calurosos. Esto es debido a que en la cámara de aire , la
diferencia de densidad que existe entre el aire caliente y frío crea un efecto chimenea
que ayuda a eliminar el calor y la humedad aumentando el confort interior. Además, este
sistema también evita los puentes térmicos tan habituales en los cantos de forjado de
los edificios.
Diferentes materiales y propiedades aislantes han sido seleccionados en función de la
orientación de las fachadas y las necesidades de confort interior. En las fachadas norte
y oeste, planchas de zinc se fijan a una estructura metálica creando una fachada
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |4
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
ventilada; en las fachadas sur y este estas mismas planchas de zinc pero perforadas
aumentan la ventilación y la luz natural donde se localizan los aseos. Las fachadas
ventiladas de planchas de zinc se combinan con paneles fotovoltaicos de tecnología
CIGS en las fachadas este y oeste, creando una interesante multifuncional solución,
reduciendo la demanda energética del edificio y generando electricidad al mismo tiempo.
Por otra parte, las ventanas y muros cortina combinan óptimos valores de transmitancia
térmica, estanquidad, transmitancia solar y factor solar para poder reducir aún más la
demanda térmica al mismo tiempo que reducen el consumo de iluminación artificial.
La cubierta es vegetal y permite reducir la carga térmica gracias a la masa y el valor de
transmitancia térmica Además, reduce también la demanda de frio en verano por
enfriamiento evaporativo, reduciendo así mismo el efecto de isla de calor de las
ciudades.
La tabla 1 muestra la transmitancia térmica y factor solar de las diferentes soluciones
constructivas que forman parte de la envolvente del edificio.
Tabla 1. Transmitancia térmica (U) y factor solar (g) de la envolvente del edificio (E+E,
2013)
U (W7m2k) Fachadas exteriores
g (%)
Norte
Sur
Este
Oeste Horiz.
0,212
0,283 0,127 0,129
Cubiertas
0,111
Suelos en contacto con terreno
0,428
Suelos en contacto con zonas
no acondicionadas
0,463
Vidrios
1,000
1,000 1,000 1,000
1,000
Vidrios
10
10
10
10
10
2.6 Simulación dinámica computacional
Para poder evaluar el diseño bioclimático del edificio y establecer alternativas para
mejorarlo, no se han tenido en cuenta los sistemas HVAC (Heating, Ventilating and Air
Conditioning) en estas primeras simulaciones.
Resultados de un primer diseño del edificio se muestran en la gráfica de la figura 6,
donde se observa la evolución de la temperatura en la zona de oficina del segundo piso,
que ha sido considerada como representativa del edificio. También se muestra la
radiación solar y la temperatura exterior a lo largo del año. La zona de confort se
establece entre los 20 ºC y los 26 ºC, por lo que se obtienen tres áreas de disconfort:
Zona gris: disconfort por exceso de radiación solar y bajo potencial de ventilación
natural, que eleva la temperatura del interior del área por encima de la temperatura de
confort. Esto ocurre al inicio y final de verano.
Zona naranja: disconfort por alta temperatura exterior en el mes de agosto
Zona verde: disconfort por bajas temperaturas exteriores, en los meses de invierno.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |5
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
Figura 6. Evolución de temperatura interior y radiación solar (ARUP, 2013)
Para poder reducir estas áreas de disconfort, se han realizado dos mejoras en el diseño
final. Por una parte se ha mejorado el aislamiento de la envolvente reduciendo la
transmitancia térmica de las soluciones constructivas, y por otra parte se ha optimizado
el diseño de los elementos de sombreado para reducir las ganancias térmicas en verano
a través de las zonas acristaladas.
La figura 7 muestra la solución final en azul, mientras la zona rosa representa la situación
anterior y se observa el aumento del número de horas en condiciones de confort.
Figura 7.Temperaturas a lo largo de un año, diseño inicial y final (ARUP, 2013)
3. Análisis de la demanda de energía estimada: estrategias pasivas
Un estudio del consumo energético en edificios de oficinas en Asturias llevado a cabo
concluye que la demanda energética media de este tipo de edificios en esta ubicación
se sitúa en 185 kWh/m2·año (FAEN 2014), repartidos de la siguiente manera: luz 14%,
equipos 30%, calefacción 24%, refrigeración 27% y otros 5%.Teniendo en cuenta que
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |6
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
el área del edificio es de 1242,93 m2, el consumo total serían 229 943 kWh/año
repartidos de la forma siguiente:
Luz: 32 192 kWh/año
Equipos: 68 983 kWh/año
Calefacción: 55 187 kWh/año
Refrigeración: 6 084 kWh/año
Otros: 11 497 kWh/año
Sin embargo, un cálculo térmico estándar para calcular las necesidades de calefacción
y refrigeración del edificio muestra consumos energéticos térmicos menores. Este
cálculo se realiza en condiciones estacionarias teniendo en cuenta las transferencias de
calor instantáneas (no la inercia térmica) que dependen de la ubicación del edificio
(condiciones climáticas y orientación), de cómo está construido (soluciones
constructivas) y qué sucede dentro (uso del edificio). Los resultados obtenidos son:
Calefacción: 34 726 kWh/año, máxima potencia 41,5 kW (cargas latentes y sensibles)
Refrigeración: 50 818 kWh/año, máxima potencia 78,9 kW (cargas latentes y sensibles)
Para poder verificar el cumplimiento de la normativa española, se ha utilizado el
programa LIDER que compara el edificio con otro de referencia que tiene la misma
geometría, orientación, localización y perfiles de uso, y cuyos elementos constructivos
cumplen con la normativa mínima. Los resultados muestran que el edificio cumple con
la reglamentación establecida.
La calefacción y refrigeración del edificio se producirá mediante generadores eléctricos.
Si se estima un COP (Coefficient of Performance) de 3 para los sistemas de calefacción
y un EER (Energy Efficiency Rate) de 3,5 para los sistemas de refrigeración, la demanda
de electricidad anual sería 11 575 kWh y 14 519 kWh respectivamente.
Para analizar las necesidades de iluminación artificial del edificio, se han realizado
diferentes simulaciones, que muestran una reducción del 40% debido a las grandes
superficies acristaladas y a la geometría del edificio que permiten la iluminación natural
en la mayoría de los espacios interiores. Además, el diseño favorece la ventilación
natural y reduce también otros consumos. Por otra parte, los consumos de los equipos
no dependen del diseño arquitectónico, por lo que la demanda eléctrica estimada del
edificio sería la siguiente:
Luz: 19 315 kWh/año
Equipos: 68 983 kWh/año
Calefacción: 11 575 kWh/año
Refrigeración: 14 519 kWh/año
Otros: 2014 kWh/año
Esto supone una demanda total de energía eléctrica de 116 406 kWh/año o 94
kWh/m2·año.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |7
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
4. Selección de instalaciones eficientes y sistemas de control
El objetivo es reducir la demanda energética del edificio por debajo de 90 kWh/m2·año.
Para ello, se han elegido los siguientes sistemas:
4.1 Sistema HVAC
Gracias a un sistema de forjados activos o TABS (Thermally Activated Building System)
el edificio se mantiene en condiciones de confort la mayoría de las horas del año por la
inercia térmica y el agua que circula en su interior a temperaturas cercanas a la
ambiente.
El sistema TABS aprovecha de la masa térmica del hormigón de las paredes y los
suelos, a través de una red de conductos por los que circula agua, embebidos en las
losas de hormigón. Los circuitos se integran en la armadura de los elementos
estructurales para poder así usar directamente su capacidad térmica. Así, los techos,
suelos y paredes, contribuyen a un primer calentamiento y enfriamiento según la
estación. Además, el sistema está oculto, por lo que no interfiere en el diseño
arquitectónico de los espacios.
Otros beneficios de este sistema son:
. Temperatura de suministro de agua cercana a la ambiente, y baja
diferencia con la temperatura de retorno.
. Reducción de transferencias térmicas por la envolvente del edificio
gracias al gradiente de temperatura.
. Aprovechamiento de las temperaturas nocturnas exteriores en verano
para refrigerar el edificio por la noche.
. Costes de mantenimiento reducidos.
Para comparar varios sistemas, se ha desarrollado un modelo parcial del edificio que se
ha simulado con el programa TRNSYS software (Transient Energy System Simulation
Tool).
La tabla 2 muestra las características de los 3 sistemas comparados: 2 forjados activos
y 1 sistema de suelo radiante, para el modo calefacción. Los resultados indican que el
sistema de suelo radiante a 35 ºC alcanza la misma temperatura superficial que el
sistema TABS con agua a 50 ºC, pero las horas de disconfort son mayores en el suelo
radiante debido a la menor inercia. Además, es necesario destacar que el rendimiento
de las bombas de calor dependen de la temperatura a la que se suministra el agua: a
35 ºC, el COP es mayor que a 50 ºC.
La evolución diaria de las temperaturas, en la figura 8, indican que hay mayores
oscilaciones de temperatura en el sistema de suelo radiante respecto a los TABS.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |8
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
Tabla 2. Características de los sistemas modo calor
Tª
Oscilación COP Horas
anuales
Tª
superficial diaria (ºC)
de
suministro (ºC)
disconfort
agua (ºC)
TAB
35
22
3
4,24
175
TAB
50
24
2
2,72
0
Suelo
35
25-26
4-5
4,24
10
Figura 8.Temperaturas interiores con los 3 sistemas en los meses de invierno (ARUP,
2013)
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
Página |9
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
Para el modo refrigeración, los resultados de la tabla 3 y la figura 9 muestran mayores
oscilaciones diarias y horas de disconfort en los sistemas de suelo radiante que en los
TABS, por la menor inercia de los primeros.
Tabla 3. Características de los sistemas modo frío
Tª
Oscilación COP Horas
Tª
superficial diaria (ºC)
anuales
suministro (ºC)
de
agua (ºC)
disconfort
TAB
18
24-25
2
5,64
28
Suelo
18
20-21
4-5
5,64
454
Figura 9. Temperaturas interiores con los 2 sistemas en los meses de verano (ARUP,
2013)
Teniendo en cuenta estos resultados, el sistema de forjados inerciales o TABS es el
más adecuado para el proyecto “The Autonomous Office”, debido al ahorro energético
que conlleva.
4.2 Generación de calor y frío
Dos bombas de calor agua-aire instaladas en el exterior generarán calor y frío. Cada
una tiene 2 compresores trabajando en cascada para adaptarse a las necesidades de
cada momento y ahorrar energía.
Por otra parte, para llegar a cubrir las cargas de calor y frío latentes, se instalará una
unidad de tratamiento de aire o UTA, que también servirá para obtener las renovaciones
de aire requeridas por las diferentes normativas vigentes y garantizar la salubridad
interior. Así, esta UTA se utilizará para calentar o enfriar el aire que entra del exterior.
En determinados momentos en que el TABS no llegue a cubrir las necesidades de frío
o calor (periodos pico de demanda), la UTA entrará en funcionamiento. Estos momentos
pico son aquellos en los que se dan situaciones especiales como: máxima ocupación,
cargas solares térmicas elevadas y temperaturas externas extremas en verano.
También será necesario su funcionamiento en estaciones templadas cuando no sea
eficiente utilizar los sistemas TABS por la mínima demanda existente.
4.3 Equipos eléctricos e iluminación eficiente
Las luminarias elegidas son de tipo LED, que supone un gran ahorro de energía por su
eficiencia y larga durabilidad. Además cuentan con sensores de detección de personas
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 10
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
y programación de funcionamiento en función del día y la hora. El ascensor, los
ordenadores y demás equipos eléctricos son de bajo consumo. Es importante tener en
cuenta que este consumo eléctrico puede suponer el 40% del consumo total energético
de un edificio.
Los gráficos de las figuras 10 y 11, muestran respectivamente los consumos de
iluminación y equipos. Se representa la potencia demandada en cada hora de un año
tipo.
Así se observa que las necesidades de iluminación son inferiores en las estaciones en
las que los días son más largos, mientras que el consumo eléctrico de los equipos en
constante todo el año, pues el uso de estos no depende de factores como el clima
exterior o las horas de luz.
Figura 10. Consumo eléctrico de iluminación anual (ARUP, 2013)
Figura 11.Consumo eléctrico de equipos (ARUP, 2013)
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 11
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
4.4 Instalaciones de agua eficientes
Un sistema de reciclado de las aguas grises (provenientes de los baños, duchas y grifos)
y pluviales disminuirá el consumo de agua potable del edificio a la mitad. Además, se
instalarán también mecanismos para reducir el consumo como aireadores en los grifos
y duchas, grifos con sensores de presencia y temporizadores. Todo ello permitirá
alcanzar un consumo de agua de 15 litros por día.
5. Análisis de la demanda de energía estimada: estrategias pasivas y
activas
Teniendo en cuenta el diseño bioclimático del edificio y los equipos e instalaciones
elegidos, se han desarrollado simulaciones con el programa Design Builder. En el
gráfico de la figura 12 que representa la potencia eléctrica total demandada en cada
hora de un año tipo, puede observarse que en estaciones calurosas la demanda
energética es menor que en las frías.
Figura 12.Consumo eléctrico total (ARUP, 2013)
Si bien los sistemas de refrigeración consumen más energía que los de calefacción, el
consumo de luz artificial es mayor en invierno que en verano. Además, el sistema de
sombreamiento de la fachada sur ha sido diseñado para evitar las ganancias térmicas
en verano pero a la vez para permitir la entrada de luz natural. Esto se debe a que el
vidrio fotovoltaico semitransparente sobre la estructura de madera filtra las radiaciones
infrarrojas que son las causantes del recalentamiento interior de los edificios,
permitiendo el paso de la luz.
La demanda eléctrica total, resultado de la simulación dinámica, es 71 289 kWh/año,
equivalentes a 57 kWh /m2año separados de la siguiente manera:
Luz: 12 820 kWh/año
Equipos: 40 966 kWh/año
Calefacción: 7281 kWh/año
Refrigeración: 9378 kWh/año
Otros: 844 kWh/año
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 12
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
La simulación realizada con el programa CALENER, el software español para obtener
el certificado de eficiencia energética de acuerdo a la normativa española, muestra una
calificación A, la mayor posible. Las demandas de calefacción y refrigeración obtenidas
mediante este software son superiores a las mencionadas anteriormente ya que este
programa no es capaz de simular sistemas innovadores. Por ello, se han utilizado los
programas TRNSYS y Design Builder.
6. Energías renovables in-situ
Como ya se ha señalado, se pretende alcanzar un EECN o Edificios de Consumo Casi
Nulo, para lo que se han estudiado y analizado diferentes tecnologías. La solución final
se detalla a continuación.
6.1 Soluciones de integración fotovoltaica (BIPV)
La integración fotovoltaica o BIPV (Building Integrated Photovoltaics), consiste en la
sustitución de materiales tradicionales de construcción por materiales fotovoltaicos
multifuncionales en los elementos que forman parte de la envolvente de un edificio o su
exterior: muros cortina, lucernarios, fachada ventilada, suelos, marquesinas, brisesoleil...
Existen diferentes tecnologías fotovoltaicas para su aplicación en BIPV, permitiendo
diferentes configuraciones en tamaños, transparencias, colores, aislamiento térmico…
para adaptarse a la singularidad de cada proyecto.
Así, gracias a las soluciones BIPV, además de producir electricidad de manera limpia
gracias al sol en el mismo lugar de consumo, se reduce la demanda energética de los
sistemas de climatización e iluminación mediante el control solar y el incremento del
aislamiento térmico y acústico. El proyecto “The Autonomous Office” contempla 3 áreas
de intervención y 3 tecnologías diferentes:
Integración en cubierta
Se propone la integración con silicio monocristalino (mono-Si) en la zona de la doble
piel que cubre la cubierta, pues es la tecnología que mejor ratio kWh/kW p ofrece entre
todas las tecnologías disponibles, y supondrá un aumento notable de la producción
fotovoltaica. Además, la imagen resultante muestra claramente el uso de la tecnología
fotovoltaica en el edificio, convirtiéndose en una estrategia para exponer el compromiso
con el medio ambiente y la edificación sostenible.
La separación entre las células garantiza el paso de la radiación solar necesaria para el
crecimiento de las plantas de la cubierta vegetal. Al mismo tiempo, la alternancia de
zonas con vidrios con zonas libres permitirá una ventilación continua garantizando el
buen funcionamiento bioclimático y el no recalentamiento de esta zona.
Se propone la integración de 105 unidades de vidrio de dimensiones 1438 mm x 867
mm obteniendo un total de 14,17 kW p instalados, que producirán 13 789 kWh/año.
Integración en fachada sur
En el resto de la doble piel es necesario que la luz que entre al interior del edificio sea
homogénea para garantizar el confort de los usuarios y sus exigencias lumínicas para
desarrollar su trabajo en las oficinas. Por esta razón, la tecnología propuesta es silicio
amorfo (a-Si) transparente combinado con silicio amorfo opaco por las siguientes
razones:
Los vidrios fotovoltaicos, debido a su colocación, no tendrán la mejor exposición a la
radiación solar (entendida como tal la radiación solar directa en ángulo óptimo); por otra
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 13
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
parte, en el emplazamiento que se desarrollará el proyecto, la radiación difusa es un alto
porcentaje de la radiación global y ocurre en días nublados. Por estas razones se vuelve
crítico aprovechar la radiación difusa de la radiación solar. La tecnología de silicio
amorfo es, en este contexto, la que ofrece los mejores resultados en términos de
kWh/kW p para estas condiciones de radiación.
Mejora el efecto de filtro solar en comparación con otros materiales convencionales de
construcción. La base de silicio absorbe la mayoría de la radiación ultravioleta e
infrarroja mejorando el confort térmico del interior del edificio.
Por último, esta tecnología ofrece la mejor solución estética cuando se combina con
otros materiales o soluciones constructivas. Esta afirmación, criterios subjetivos aparte,
se basa en la apariencia material y cromática en contraposición a vidrios de base de
células cristalinas.
A parte de estas características generales, la tecnología de silicio amorfo ofrece la
posibilidad de obtener diferentes grados de transparencia, que se pueden adaptar a la
cantidad de iluminación natural y continuidad visual exterior-interior requeridas. Una
mayor transparencia implica menor potencia pico, aspecto que se ha de tener en cuenta
también.
La solución final alternará unidades opacas y unidades de 10% de transparencia, para
poder crear un dinamismo en la fachada a la vez que se permite el paso de la luz. Las
zonas en donde se ha estimado necesario proporcionar vistas directas del exterior a los
ocupantes del edificio, se dejarán libres de vidrios.
Se propone la integración de vidrios laminados de dimensiones 2600 mm x 1245 mm,
26 opacos y 36 semitransparentes, obteniendo un total de 10,34 kW p instalados, que
producirán 9123 kWh/año.
Integración en fachadas este y oeste
Las fachadas ventiladas este y oeste del edificio son otra posible alternativa para
integrar soluciones fotovoltaicas y poder aumentar la energía producida en el propio
edificio. La tecnología escogida para esta solución es CIGS (cobre, indio, galio y selenio)
que combina muy buenas características estéticas y de producción energética.
Estéticamente su color negro en combinación con los montantes de madera previstos
en estas fachadas dará una imagen muy atractiva, creando un bonito contraste con los
vidrios semitransparentes de la fachada sur.
Por otra parte, esta tecnología se comporta muy favorablemente en condiciones de
radiación difusa (vital para esta inclinación y orientación de estos vidrios) y tiene una
alta potencia nominal que contribuirá a elevar la producción eléctrica necesaria para
satisfacer la demanda.
Las dimensiones propuestas de los vidrios son 1595 mm x 686 mm. Se propone integrar
88 vidrios en la fachada este y 88 vidrios en la fachada oeste, por lo que se obtendrá un
total de 21,12 kW p instalados que producirán un total de 10 686 kWh.
Así pues, los sistemas BIPV producirán un total de 33 597 kWh/año.
6.2 Minieólica
Así mismo se instalará una turbina minieólica para generar energía eléctrica gracias al
viento. El sistema consiste en una turbina de eje vertical de tres álabes que, gracias a
la velocidad del viento, consiguen realizar un par que se transforma en un movimiento
de rotación, generando así energía eléctrica.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 14
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
Teniendo en cuenta la ubicación del sistema en el edificio, la producción energética
estimada es de 2278 kWh/año.
6.3 Biomasa
Las fuentes eléctricas de carácter renovable presentan limitaciones de producción
derivadas tanto de la propia tecnología como de aleatoriedad derivada de las
características meteorológicas. Además, esta producción debe adecuarse
perfectamente a las curvas de demanda eléctrica derivadas de la utilización del edificio.
Así pues, se prevé la instalación de un sistema que no solamente produzca calor sino
que produzca energía eléctrica a través de un recurso controlable, es decir un sistema
de micro-cogeneración de baja potencia basado en la utilización de aceite vegetal como
biocombustible de emisión neta de carbono de valor cero.
Teniendo en cuenta las necesidades del edificio, se ha elegido el sistema con menor
potencia existente en el mercado: 18 kW térmicos y 8 kW eléctricos. La producción
energética estimada es de 22 153 kWh/año.
6.4 El hidrógeno como vector energético
Se integra una pila de combustible PEM, dispositivo electroquímico que utilizando
hidrógeno como fuente de combustible genera electricidad, independizando la recarga
del propio funcionamiento. El hidrógeno se producirá a partir de la electrólisis del agua
y se almacenará para su uso cuando las energías renovables no puedan hacer frente a
toda la demanda energética.
7. Análisis de la energía cubierta por RES
En el apartado anterior, hemos visto que la energía cubierta por renovables es la
siguiente:
BIPV: 33 597 kWh/año.
Minieólica: 2278 kWh/año.
Biomasa: 22 153 kWh/año.
Teniendo en cuenta que los resultados de las simulaciones con Design Builder muestran
una demanda de energía eléctrica de 71 289 kWh/año, se puede decir que las
renovables cubrirán el 81%de las necesidades eléctricas en el periodo de un año.
8. Conclusiones
La construcción de Edificios de Consumo Casi Nulo (ECCN) respetuosos con el medio
ambiente es posible, y el proyecto “Autonomous Office” es un ejemplo de ello. Para ello,
se deben establecer estrategias que garanticen una reducción de la demanda
energética del edifico y de sus consumos.
El diseño arquitectónico de los edificios es el factor que más puede influir. Así, el estudio
y análisis de las características geográficas y climáticas de lugar es indispensable en la
elección de los sistemas constructivos y el diseño de los espacios.
Además, unas instalaciones eficientes de calefacción, refrigeración, iluminación y
ventilación son clave para llegar a reducidas demandas energéticas.
Para poder llegar a la solución óptima, los programas de simulación dinámica
computacional son la mejor herramienta para poder obtener resultados fiables del
comportamiento de los edificios. La realización de simulaciones de variantes sobre un
mismo diseño permite comparar diferentes alternativas y poder elegir la más idónea.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 15
THE AUTONOMOUS OFFICE
Model for a green energy autonomous office building
LIFE11 ENV/ES/622
Gracias a diferentes estrategias pasivas y activas, como el uso de materiales
constructivos de baja transmitancia térmica, los forjados activos o TABS, y el control
solar y lumínico, se estima que el edificio “Autonomous Office” reduce la demanda
energética un 68% en comparación con edificios similares de la zona. Además, más del
80% de la electricidad que el edificio necesita será generada in-situ por fuentes
renovables, destacando la integración fotovoltaica o BIPV que cubrirá más del 50% de
la demanda eléctrica.
ESTRATEGIA DE DISEÑO PARA UN MENOR CONSUMO
ENERGÉTICO
P á g i n a | 16