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SIMULACIÓN ENERGÉTICA DE UNA VIVIENDA DE
CONSUMO CASI NULO CON ENERGYPLUS
Rev. 2 del 9/ene/2012
V. Fernández-Salvador
INGENIERÍA Y
TECNOLOGÍA DEL
MEDIO AMBIENTE
3308.99-3 Ecodiseño
SIMULACIÓN ENERGÉTICA DE UNA VIVIENDA DE CONSUMO
CASI NULO
Vanesa Fernández-Salvador
Arquitecta / Ingeniera Técnica Industrial en Mecánica
DPO INGENIEROS. Avda. / Recalde nº 1 Edificio Irubide 53 C. – 20018 Donostia – San Sebastián. Tfno: +34 943 367260.
[email protected]
Recibido: 31/ago/2012 - Aceptado: 29/12/2012 - DOI: http://dx.doi.org/10.6036/ES1012
BUILDING ENERGY SIMULATION OF A ZERO ENERGY
CONSUMPTION
ABSTRACT
This paper describes the design and the energy performance
of a zero consumption building. The Passivhaus Standard is
taken as a reference for the design of the building. The
German Passivhaus standard is usually known for its low
energy requirements that need low demand for heating and
cooling. In addition, important issues to consider in the
design stage of a building are analyzed in order to ensure
efficient energy consumption. Once the final design of the
building is defined, it is necessary to check that it is adequate.
To achieve the objectives, the building energy simulation is
used, the method that provides more realistic results. The
simulation is performed with the software EnergyPlus (EP).
Finally, to check the profitability of the building designed, a
building whose envelopes and facilities solely satisfy the
criteria established by the Spanish Building Technical Code
(CTE) is analyzed and simulated. The results demonstrate that
the passive building is profitable in few years.
Keywords: zero energy consumption, building energy
simulation, energy efficiency, energy, Passivhaus,
EnergyPlus.
RESUMEN
Este artículo describe el diseño y el comportamiento energético de una
vivienda unifamiliar de consumo casi nulo. Se toma como referencia de
diseño el Estándar Passivhaus. El estándar alemán Passivhaus es
conocido por sus bajas exigencias energéticas que requieren baja
demanda de calefacción y refrigeración principalmente. Además se
analizan aspectos fundamentales a considerar en la etapa de diseño
para conseguir un consumo eficiente de la energía. Una vez definido el
diseño definitivo de la vivienda, es necesario comprobar que éste es
aceptable. Para ello se recurre a la simulación energética, siendo éste el
método que proporciona resultados más reales. Esta simulación se
realiza con el programa EnergyPlus (EP). Finalmente, para comprobar la
rentabilidad de la vivienda proyectada, se analiza y simula una vivienda
de igual forma, pero cuyos cerramientos e instalaciones cumplen
únicamente los criterios establecidos por el Código Técnico de la
Edificación (CTE). Los resultados obtenidos demuestran que la vivienda
pasiva es rentable en pocos años.
Palabras clave: Consumo casi cero, simulación energética, eficiencia
energética, energía, Passivhaus, EnergyPlus
1. INTRODUCCIÓN
El consumo energético en el sector residencial representa en España un 17% del total del consumo de energía final,
un porcentaje que tiende además a incrementarse. Se trata, por tanto, de un sector clave para la reducción del consumo
energético en nuestro país. Es por esto, que los organismos públicos han decidido fomentar la reducción del consumo en
este sector. De hecho, la actual normativa española (CTE – Código Técnico de la Edificación; RITE – Reglamento de
Instalaciones Térmicas en los Edificios y Real Decreto 47/2007 de Certificación Energética de Edificios de Nueva
Construcción), surgen como consecuencia de la directivas europeas SAVE y EPBD (Energy Performance in Buildings
Directive) 2002/91/EC para limitar la emisión de gases de efecto invernadero y fomentar la eficiencia energética de los
edificios.
Por otro lado, la Directiva 2010/31 establece que a partir del 31 de diciembre de 2020 todos los edificios de nueva
construcción sean edificios de consumo de energía casi nulo, adelantando esta obligación a 31 de diciembre de 2018 a
todos los edificios ocupados por las administraciones y de titularidad pública.
A pesar de estas circunstancias, en la actualidad en el proceso de diseño de un edificio estamos acostumbrados a
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analizar, tan solo, el coste de ejecución del mismo. ¿Qué ocurre con el coste energético de las edificaciones durante su
vida útil? Este coste energético es un valor muy importante que habitualmente no se tiene en cuenta. ¿No sería más
lógico analizar el edificio energéticamente desde la fase de diseño? Considerando además que en pocos años tendremos
que proyectar edificios de consumo casi nulo, la respuesta es obvia.
En base a esta preocupación se elabora el presente trabajo teórico. Se trata del análisis energético con el programa de
simulación energética EnergyPlus, de una vivienda unifamiliar hipotética para cinco personas ubicada en la provincia
de Guipúzcoa.
El objetivo es demostrar que es posible conseguir una mayor eficiencia energética gracias a la correcta combinación
de un correcto diseño y al uso de fuentes de energía renovables. Para ello, se toma como referencia de diseño el
Estándar Passivhaus.
El estándar alemán Passivhaus se caracteriza por lograr bajas demandas de calefacción y refrigeración, sin descuidar
el confort térmico. Como se detalla en el siguiente capítulo el diseño de la vivienda se realiza siguiendo los principios
de este tipo de viviendas pasivas para conseguir reducir la demanda energética, aunque esto no evita que sea necesario
introducir instalaciones de soporte.
A continuación se resumen algunos de los requisitos del Estándar Passivhaus de manera esquemática:
1. Demanda de energía útil para calefacción máxima ≤ 15 kWh / (m²/año)
2. Demanda de energía útil para refrigeración máxima ≤15 kWh / (m²/año)
3. Consumo de energía primaria para calefacción, refrigeración, Agua Caliente Sanitaria (ACS) y electricidad no
puede ser superior a 120 kWh / (m²/año).
4. Los cerramientos exteriores opacos deben de tener el coeficiente de transmisión inferior a 0,15 W/m²K
5. El coeficiente de transmisión para las ventanas y puertas debe ser inferior a 0,8 W/m2K
Efectivamente, son objetivos difíciles de conseguir en comparación con el CTE, pero no imposibles.
2. PRINCIPIOS DE DISEÑO PARA LA VIVIENDA
Como se ha afirmado en el anterior apartado, lo inteligente sería tener en cuenta la necesidad de reducir al mínimo el
consumo energético de los edificios desde la fase de diseño. Por esto, se van a analizar una serie de factores de diseño
que afectan al comportamiento energético de las edificaciones.
2.1. FACTOR DE FORMA Y ORIENTACIÓN
La forma de la envolvente del edificio es fundamental para realizar un diseño que consiga un menor consumo de
energía. La forma del edificio determina la superficie de piel exterior que está en contacto con el ambiente exterior, y
por tanto que se ve directamente afectada para la radiación solar y la exposición a los vientos. Es en definitiva un
indicador de las pérdidas o ganancias de energía interior hacia el exterior. Existe un parámetro que permite medir
cuantitativamente este concepto. Se trata factor de forma, que es la relación entre superficie y volumen del edificio.
En este caso, la vivienda estaría ubicada en Guipúzcoa, que posee un clima oceánico con veranos frescos e inviernos
moderados. Por ello, habría que tratar de conseguir un factor de forma bajo, sin descuidar la ventilación y la
iluminación. Sería necesario tender a un diseño de estructuras compactas, ya que éstas tienen menos pérdidas que las
estructuras que tienen numerosos huecos, entrantes y salientes.
2.2. MATERIALES Y SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS
Se debería priorizar la utilización de materiales que representen un mejor comportamiento medioambiental, ya sea
por la menor emisión de agentes contaminantes como por su mejor comportamiento como residuo o su menor consumo
energético.
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En cuanto a los cerramientos a emplear, indicar que se trata de elegir aquellos en los que las pérdidas por transmisión
sean mínimas. Es decir, las partes opacas deberán tener importantes aislamientos y las ventanas deberán ser de muy alta
calidad. Es muy importante tener en cuenta que el aislamiento es uno de los factores que más va a influir para reducir el
consumo energético de la vivienda.
2.3. DISEÑO SOLAR PASIVO
El diseño solar pasivo es imprescindible en el diseño de viviendas pasivas. Es importante minimizar la radiación solar
sobre el edificio utilizando medidas preventivas. Es más fácil impedir el sobrecalentamiento que intentar eliminarlo una
vez dentro del edificio.
Se trata de diseñar protecciones solares que reduzcan la radiación incidente sobre el hueco en verano, pero que
permitan la captación energética en invierno. Existen distintos tipos de elementos para protegerse frente al sol, entre los
que destacan las pérgolas, los aleros, las lamas, persianas y contraventanas.
Respecto a los aleros o voladizos son elementos muy prácticos, ya que necesitan poco mantenimiento. Sin embargo,
exigen un diseño riguroso para que arrojen sombra únicamente en verano. A modo de análisis previo, para un diseño
inicial, se puede calcular la altura solar en cada uno de los meses del año, que es el ángulo formado por la recta Sol –
Tierra con el plano del horizonte del lugar. En concreto para Guipúzcoa, suponiendo una latitud de 43º, con aleros de
aproximadamente 1,50 metros sobre las ventanas se consigue evitar la incidencia del sol en los meses más calurosos.
Este dato es fundamental para el diseño la vivienda y mediante la simulación energética se comprobará este resultado.
3. SIMULACIÓN ENERGÉTICA
Una vez se ha realizado un diseño previo de la vivienda, el siguiente paso sería el cálculo de las necesidades
energéticas de la misma y la corrección, en su caso, del diseño.
Para determinar las necesidades energéticas se debe considerar el edificio como un sistema complejo en el que sus
componentes son los cerramientos: fachadas, cubierta, ventanas, sistemas de calefacción y refrigeración, etc. Las
relaciones existentes entre el edificio y el entorno vienen regidas por las leyes de transferencia de calor (conducción,
convección, radiación y transferencias de masa). Para realizar este análisis energético el medio que más se acerca a la
realidad, es la Simulación Energética. El objetivo de la Simulación Energética es estimar el comportamiento térmico de
las diferentes zonas que conforman el edificio y las prestaciones que están dando las instalaciones, en las condiciones de
trabajo puntuales en cada instante de tiempo, con el fin de integrarlas durante el periodo de tiempo simulado.
Entre otros aspectos, lo más interesante de la simulación energética es que permite evaluar diferentes alternativas de
manera sencilla durante la fase de diseño. Una vez modelado un edificio, se pueden introducir modificaciones, hasta
conseguir la solución más eficiente. Por ejemplo, queremos saber cuál es la reducción del consumo energético si se
añaden dos centímetros al aislamiento en las fachadas y las cubiertas. Con un buen programa de simulación energética
esto es un proceso muy sencillo. Una vez modelado el edificio basta con cambiar estos parámetros y obtenemos la
reducción de consumo energético en kWh eficazmente, sin que esta modificación haya supuesto una gran carga de
trabajo. Con los resultados obtenidos, se puede realizar un análisis de la rentabilidad económica de la inversión
necesaria. Así, mediante la evaluación de diferentes alternativas se podría desarrollar un proyecto más eficiente y de
mayor calidad.
Otro aspecto importante, en favor de la simulación energética para el análisis energético de edificios es el concepto
de inercia térmica. La inercia térmica es la velocidad con la que cualquier variación de las condiciones ambientales
produce sobre las condiciones térmicas interiores de la zona y por tanto sobre su demanda. Esta inercia no es
despreciable y ello conlleva la necesidad de la simulación energética para acercarnos de forma fiable a la demanda real.
La realidad nos indica que no es posible el uso de procedimientos estacionarios para establecer con rigor la demanda
energética del edificio. Efectivamente, los equipos varían sus prestaciones (rendimiento, EER, COP, potencia útil,...)
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con las condiciones ambientales. Por lo tanto, mediante un procedimiento estacionario sólo hallaríamos una
aproximación al consumo real.
Finalmente, otro aspecto muy importante es la energía recibida mediante la radiación solar. ¿Cómo afecta la forma y
la orientación a la cantidad total de energía recibida del sol por el edificio por mes?. En general, se puede afirmar que
los edificios son extremadamente sensibles a su orientación. Se pueden realizar estimaciones como el cálculo de la
dimensión del alero necesario que se ha mencionado en el apartado anterior, pero para acercarnos a la realidad es
necesario un buen programa informático de simulación energética.
Para realizar esta Simulación Energética existen diversas herramientas. En primer lugar, atendiendo a la normativa
vigente en España, la certificación energética de un proyecto pasa por la simulación del edificio y sus instalaciones en
LIDER (LImitación de la DEmanda eneRgética) y CALENER (CALificación ENERgética de edificios) –siempre y
cuando no se utilice la opción simplificada.
En realidad el CALENER, más que un programa de simulación energética, es un programa informático destinado a la
calificación energética de los edificios. El motor de cálculo adoptado por el CALENER es el mismo que el del DOE2.2. (de EE.UU.). Respecto al LIDER, es una aplicación informática para la verificación de la exigencia de Limitación
de demanda energética (HE1). Sin embargo, la normativa no se limita a estos dos programas ya que admite la
posibilidad de homologar otros, igualmente válidos, para realizar la limitación de la demanda y la certificación
energética.
Programas como el DOE2 surgieron como resultado de la inversión lenta pero constante de la administración
americana desde 1970. De la misma época es el BLAST (Building Loads Analysis and System Thermodynamics). Lo
mejor de DOE2 y BLAST se unió en un nuevo programa llamado Energy-Plus (EP).
Tal y como se ha comentado anteriormente, la simulación de la vivienda se ha realizado con el programa EnergyPlus,
por considerarse uno de los programas más potentes y completos existentes en el mercado. El programa EnergyPlus se
puede
descargar
de
manera
gratuita,
una
vez
te
registras,
desde
la
página
web:
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/EnergyPlus/ . En esa misma página web se pueden además descargar manuales y
todos los plug-ins disponibles.
4. PROCESO DE SIMULACIÓN ENERGÉTICA CON ENERGYPLUS (EP)
En este apartado se pretende dar unas nociones básicas sobre el programa EnergyPlus, para que el lector interesado
pueda iniciarse en su manejo.
Básicamente, todos los programas de simulación están organizados del mismo modo. El primer paso es la reducción
del edificio a un modelo abstracto para poder así manipular sus propiedades de manera sencilla y obtener resultados
fiables. Posteriormente se detallan las características de las superficies y de las instalaciones, para poder lanzar la
simulación.
4.1. CREACIÓN DEL MODELO 3D
Tal y como se ha comentado, el primer paso sería la modelización del edificio. Para ello, se recomienda el uso del
programa de dibujo Google SketchUp. OpenStudio es un plug-in para el programa Google SketchUp. Este plug-in
facilita la creación y edita la geometría de la construcción en los archivos de entrada al EnergyPlus. Por otra parte, el
plug-in permite lanzar simulaciones del EnergyPlus. En concreto, en la misma página web en la que se descarga el
programa EnergyPlus se puede descargar el plug-in necesario para poder transformar los diseños hechos con el Google
SketchUp a ficheros de entrada de Energy Plus.
Para una eficaz modelización el primer paso sería la definición de las zonas térmicas. La pregunta sería: ¿Cuantas
zonas térmicas debiera tener mi edificio? Una zona térmica es un volumen de aire con una temperatura uniforme. Se
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podría establecer como regla simple, que el número de zonas debiera ser igual al número de sistemas de
acondicionamiento que existen en el edificio.
Para definir una zona con el OpenStudio se utiliza la herramienta “New Zone Tool”. Una vez definidas las zonas
térmicas, ya se puede empezar a definir el edificio constructivamente.
Una vez definidos los volúmenes principales, se irán colocando tanto ventanas como puertas en las diferentes
superficies. El programa identificará cada uno de los objetos automáticamente. Se comprobará que, por ejemplo, cuando
se coloque un “rectángulo” sobre una fachada, éste se verá de color azul indicando que efectivamente es una ventana.
Con la herramienta Object Info se pueden comprobar las propiedades de cada superficie. Por ejemplo, si tenemos
seleccionada una ventana, nos indicará entre otros datos los siguientes:
Class: FenestrationSurface: Detailed
Type: Window
Construction: Exterior Window
Los tipos de superficies son los indicados en la figura 1:
Fig.1: Tipos de superficies
Otro apartado fundamental en la definición geométrica del edificio sería la descripción de los elementos de
sombreamiento. Para definir estos elementos de sombreamiento con el OpenStudio se utiliza la herramienta “New
Shading Group Tool” y se procede de la misma manera que se ha hecho con los volúmenes del edificio. En este caso,
los elementos de sombreamiento serán de la clase Shading: Zone: Detailed y se verán de color morado. En la figura 2 se
observa el resultado obtenido.
Fig.2: Modelado definitivo de la vivienda con SketchUp
Cuando se haya definido perfectamente la geometría del edificio, el siguiente paso será ir corrigiendo los datos de los
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materiales que el OpenStudio por defecto ha asignado, además de definir todas las condiciones térmicas, así como las
instalaciones proyectadas.
4.2. INTRODUCCIÓN DE DATOS EN EL ENERGYPLUS (EP)
EP-Launch es un componente de EnergyPlus para Windows (no está disponible para Linux y Mac). A través del EPLaunch se accede a los “WeatherFiles” (Archivos de Climatología). Dentro de la documentación descargable de
manera gratuita de la página web del EnergyPlus, también existen archivos que contienen la climatología de toda
España.
Los archivos de entrada del EP-Launch tienen extensión .IDF y contienen los datos que describen el edificio y sus
instalaciones. Es importante destacar que el programa se instala con numerosos ejemplos de diferentes instalaciones.
Estos ejemplos se encuentran en la carpeta ExampleFiles. Estos ejemplos ayudan de manera muy importante a definir
las instalaciones de cualquier edificio.
A través del EP-Launch se accede el IDF Editor. En el IDF Editor es donde se definen las características del edificio
a simular. En la figura 3 se muestra la ventana del EP-Launch .
Fig.3: EP-Lauch
Es aquí donde se puede modificar de manera sencilla los materiales que el OpenStudio ha asignado a nuestro edificio.
Asimismo, se asignarán los parámetros que definen el edificio. Una vez hecho esto, a través de la pestaña “Simulate”
del EP-Launch se podrá lanzar la simulación del edificio definido.
El IDF Editor permite definir prácticamente todas las instalaciones de un edificio. Se compone de un gran número de
apartados en los cuales se definen desde los horarios a establecer en la vivienda hasta las características de todas y cada
una de las instalaciones. En la figura 4 se muestra la ventana del EP-Editor.
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Fig.4: IDF Editor
5. DISEÑO DEFINITIVO DE LA VIVIENDA
Tras realizar diversas simulaciones de los diseños planteados, el diseño definitivo se resume en este apartado.
Para el clima del lugar se comprobó que los diseños más adecuados eran aquellos con un el factor de forma bajo. Por
ello, se planteó un volumen compacto y cuadrado. Es cierto que las formas curvas dan lugar a resultados más
favorables, pero considerando también aspectos constructivos y económicos se optó por realizar un edificio de forma
cuadrada. Se trata de un volumen de 9 m de ancho por 9 m de largo y 6 m de altura, tal y como se observa en la figura
5.
Fig.5: Geometría básica de la vivienda
En las figuras 6 y 7, se representa la distribución de la vivienda que está dividida en dos plantas.
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Fig.6: Planta baja de la vivienda pasiva
Fig. 7: Planta primera de la vivienda pasiva
El sistema constructivo plantea una solución con elementos prefabricados de madera de gran formato que se unen en
la obra en seco. La fachada tendrá un aislamiento de 20 cm de algodón y se conseguirá un coeficiente de transmisión de
0,13 W/m²K.
Por otra parte, la cubierta será ajardinada y poseerá un aislamiento de algodón de 20cm, al igual que en las fachadas,
consiguiendo el mismo coeficiente de transmisión.
En cuanto a las ventanas, el vidrio será triple y la carpintería con rotura de puente térmico. Se van a utilizar vidrios
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bajo emisivos de 6 mm de espesor y con una cámara doble de kriptón de 12 mm con el fin de conseguir las condiciones
establecidas por el estándar Passivhaus.
Respecto a la protección solar, se colocan aleros y balcones de 1,50 m para proteger las ventanas situadas en las
fachadas este y oeste, tal y como se observa en la figura 8.
Fig. 8: Aleros como protecciones solares
Por otra parte, se propone una climatización con bomba de calor geotérmica con un COP de 5,63. La electricidad será
suministrada por un arreglo fotovoltaico y el agua caliente sanitaria mediante colectores solares. En cuanto a la
colocación de los mismos se opta por situarlos en la fachada con orientación sur con la inclinación de mayor
rendimiento a modo de protección solar, tal y como se observa en la figura 9. De esta manera cumplen doble función:
aporte energético y protección solar.
Fig.9: Ubicación colectores solares
También se propone la ventilación mecánica de la vivienda con un recuperador de calor, ya que es una de las
características más importantes de las viviendas pasivas.
Por último se prevé el reciclaje de las aguas pluviales para reducir así el consumo de agua.
6. RESULTADOS DE LA SIMULACION DE LA VIVIENDA PASIVA
Una vez se han completado todos los apartados en el IDF Editor se procede a lanzar la simulación a través del EPLauch. Suele ser habitual que haya errores. Algunos tendrán mucha importancia, pero otros podrán ser despreciados.
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Los informes obtenidos del EnergyPlus son muy extensos, por lo que se van a resumir tal y como se muestra en la
tabla 1. En ella se muestran los resultados de consumos anuales distinguiendo siete apartados: calefacción bombas, agua
caliente sanitaria, recuperador de calor, ventiladores, iluminación interior, equipamiento interior y bombas. A su vez, se
distingue entre energía final y energía primaria. Por cada unidad energética de electricidad que se consumen EP
considera que son necesarias unas 3,167 unidades energéticas de combustibles fósil en las centrales térmicas. En el caso
del gas natural ha sido necesario extraerlo de su yacimiento, transportarlo y finalmente distribuirlo a baja presión a los
puntos de consumo, siendo en este caso el factor de conversión según EP de 1,084.
VIVIENDA PASIVA
Energía Final (kWh)
Energía Primaria (kWh)
Electricidad Gas Natural
Electricidad Gas Natural
Calefacción
924,13
2.926,72
ACS
956,88
3.030,44
Recuperador calor
305,28
966,82
Ventiladores
169,60
537,12
Iluminación interior
566,08
1.792,78
Equipamiento interior
2.757,17
8.731,96
Bombas
217,33
688,28
SUBTOTAL BRUTA
5.896,47
0,00
18.674,12
0,00
5.896,47
18.674,12
TOTAL BRUTA
Fotovoltaica
-6.233,83
-19.742,54
-337,36
-1.068,42
TOTAL NETA
Tabla 1: Consumo Anual de Energía Final y Primaria de la vivienda Pasiva (kWh)
Tal y como se observa en la tabla 1, el consumo total anual de energía final eléctrica es de -337,36 kWh, es decir, hay
energía sobrante. Este resultado se obtiene al restar la energía fotovoltaica producida de 6.233,83 kWh a la demanda
anual de energía obtenida de 5.896,47 kWh.
7. COMPARATIVA VIVIENDA CONVENCIONAL
Se ha realizado una comparativa del consumo energético de la vivienda pasiva con una vivienda convencional, en la
cual, la demanda de ACS y calefacción será atendida por una caldera de gas natural y se distribuirá mediante radiadores.
Asimismo, se han tomado los requisitos mínimos que se establecen en el Código Técnico de la Edificación en su
Documento Básico de Ahorro de Energía para el clima Guipuzcoano. Es decir, los cerramientos empleados tendrán las
transmitancias máximas establecidas en el CTE-DB-HE1, que son las expresadas en la tabla 2.
Transmitancias
(W/m²K)
0,73
Fachada
Cubierta
0,41
Suelo en contacto con el terreno
0,50
Tabla 2: Transmitancias máximas CTE-DB-HE1
Cerramiento
En lo que respecta al ACS, conforme al Documento Básico de Ahorro de Energía (HE) del Código Técnico de la
Edificación la aportación de energía solar deberá ser del 30% como mínimo. Este será el objetivo a cumplir.
Para realizar la comparación de manera precisa se ha simulado el edificio convencional con el Programa Energy Plus
al igual que la vivienda pasiva.
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7.1. CONSUMO DE ENERGÍA
Los resultados anuales obtenidos resumidos para la vivienda convencional, de consumos de energía final y primaria
se resumen en la tabla 3.
VIVIENDA CONVENCIONAL
Energía Final (kWh)
Energía Primaria (kWh)
Electricidad
Gas Natural
Electricidad
Gas Natural
Calefacción
11.017,93
11.943,44
ACS
2.045,81
2.217,66
Recuperador calor
Ventiladores
Iluminación interior
943,50
2.988,06
Equipamiento interior
3.024,87
9.579,76
Bombas
1,19
3,77
SUBTOTAL BRUTA
3.969,56
13.063,74
12.571,60
14.161,09
17.033,30
26.732,69
TOTAL BRUTA
Fotovoltaica
17.033,30
26.732,69
TOTAL NETA
Tabla 3: Consumo Anual de Energía Final y Primaria de la vivienda Convencional (kWh)
Como se comprueba en la figura 10, el consumo de energía primaria en calefacción es sustancialmente superior para
la vivienda convencional. En concreto, se puede afirmar que el consumo de energía primaria para calefacción en la
vivienda convencional es 4 veces el consumo en la vivienda pasiva. En cuanto al resto de consumos, no hay una
diferencia tan abultada. Respecto al consumo de ventiladores y el recuperador de calor, en la vivienda convencional será
nulo, puesto que la ventilación es natural. Es importante destacar que en EP no es posible simular una bomba de calor
geotérmico que suministre calefacción y ACS. Por tanto, en el EP se ha simulado como si fuese un calentador de ACS
con una eficiencia de un 80%. Evidentemente es un resultado más desfavorable para el posterior cálculo de la
rentabilidad económica de las instalaciones.
Fig. 10: Gráfica comparativa consumo anual de Energía Primaria vivienda pasiva/ vivienda convencional (kWh)
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7.2. ESTUDIO MEDIOAMBIENTAL
Uno de los objetivos que se persigue en el presente estudio es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero,
concretamente de CO2. Es interesante comparar las emisiones de la vivienda diseñada con las que tendría la
convencional, con el fin de comprobar que la reducción de las emisiones es importante.
Para ello es necesario conocer qué cantidad de CO2 se genera al utilizar las diferentes fuentes de energía, en base a
los coeficientes de paso a emisiones de CO2. Para hallar las emisiones de CO2 de la energía eléctrica consumida se
multiplicará dicha energía por 0,649, que es el coeficiente de paso para la electricidad dentro de la península. En
cambio, para calcular las emisiones del Gas Natural se multiplicará por el factor de paso 0,204, mucho más favorable.
En base a los consumos energéticos, se obtienen las toneladas emitidas anualmente, tal y como indica la tabla 4:
Vivienda
Convencional
13.063,74
Consumo de GAS Anual
2.045,81
Consumo de ELECTRICIDAD Anual
-337,36
5,24
Emisiones de CO2 (ton/año)
-0,22
Tabla 4: Emisiones de CO2 en la vivienda pasiva y en la vivienda convencional (ton)
Cerramiento
Vivienda Pasiva
En la figura 11 se representa como en la vivienda pasiva se evitarán 0,22 toneladas, mientras que la vivienda
convencional emitirá 5,24 toneladas. Es decir, la vivienda convencional emitirá 5,46 ton más al año.
Fig. 11: Gráfica comparativa emisiones CO2 vivienda pasiva/vivienda convencional
7.3. ESTUDIO ECONÓMICO
Se trata de diseñar una vivienda que también se pueda amortizar en un tiempo mucho más corto que el periodo de
vida de sus instalaciones. La amortización se cumplirá cuando el ahorro de costes de combustible iguale la inversión
total de la instalación, teniendo en cuenta las subvenciones.
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Para poder realizar el estudio económico se han considerado las tarifas energéticas de la tabla 5:
Electricidad
1,719427
Término Variable
(€/kWh)
0,142349
Gas Natural
8,62
0,04880021
Energía
Termino Fijo (€/mes)
Tabla 5: Tarifas energéticas electricidad y gas natural
Son las tarifas publicadas en el Boletín Oficial del Estado (BOE) de 31 de diciembre de 2011 y en el caso de la
electricidad corregidas por Resolución de 2-feb-2012 (BOE 7-feb).
La energía eléctrica generada mediante los paneles fotovoltaicos viene regulada por el Real Decreto 661/2007de 25
de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Al tratarse de energía
eléctrica producida por paneles fotovoltaicos (energía solar), se encuadraría dentro del subgrupo b.1.1, con una
producción inferior a 100 kW. La Orden IET/3586/2011, de 30 de diciembre, por la que se establecen los peajes de
acceso a partir de 1 de enero de 2012 y las tarifas y primas de las instalaciones del régimen especial, establece que la
tarifa de venta de la energía sobrante sería de 0,488743 € durante los primeros 30 años.
El programa Energy Plus además de aportar datos del consumo energético mensual, también nos indica el gasto
mensual, en base a las tarifas establecidas. Mientras la vivienda pasiva aporta unos beneficios anuales de 1.486,29 €, la
vivienda convencional tiene unos gastos de 1.326,65 €.
El siguiente paso es cuantificar las inversiones a realizar en ambos casos para poder calcular la rentabilidad de la
inversión. Obviamente, la vivienda pasiva tiene una configuración distinta a la vivienda convencional, no sólo a nivel
de instalaciones sino también a nivel constructivo. La vivienda pasiva se construiría como un mecano, siguiendo el
sistema de construcción seca, reduciendo así los tiempos y los residuos. Este hecho provocaría que los gastos de mano
de obra, que son los más elevados en construcción, se redujeran de manera considerable en la vivienda pasiva. Es por
ello, que el coste de construcción de ambos sistemas se puede considerar equivalente. No se puede decir lo mismo en
relación a las instalaciones. Por todo ello, en el presente estudio teórico únicamente se van a considerar las
instalaciones.
Se estima que la inversión total de las instalaciones consideradas en la vivienda pasiva es de 43.988,05 €, mientras
que en la vivienda convencional es de 16.901,77€, es decir, menos de la mitad.
Para realizar un análisis completo también se han valorado las subvenciones que el EVE (Ente Vasco de la Energía)
ofrece. En concreto, la ayuda que podría conseguir la vivienda pasiva para la instalación geotérmica sería de 3.507,00 €,
mientras que para la instalación solar fotovoltaica ascendería a 4.760€.
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En la tabla 6 se resumen los resultados económicos obtenidos de las instalaciones propuestas.
VIVIENDA CONVENCIONAL
Coste gas natural anual (€)
Coste Electricidad anual (€)
Inversión Energía Solar Témica (€)
Inversión Instalación de calefacción convencional (€)
VIVIENDA PASIVA
Coste eléctrico anual (€)
Inversión Energía Solar Témica (€)
Inversión Energía Solar Fotovoltaica (€)
Inversión Instalación Recuperación calor (€)
Inversión Instalación de calefacción con Geotermia y Suelo Radiante (€)
Subvención Instalación Geotermia/Solar (€)
Subvención Instalación Paneles Fotovoltaicos (€)
Inversión REAL (€)
DIFERENCIA DE INVERSIÓN
AHORRO/AÑO
Tabla 6: Resumen inversiones vivienda pasiva
740,95 €
585,70 €
4.906,27 €
11.995,50 €
-1.486,29 €
6.025,22 €
12.770,00 €
3.699,05 €
21.493,78 €
3.507,00 €
4.760,00 €
32.022,00 €
15.120,23 €
2.812,94 €
Se comprueba que la inversión a realizar es de 15.120,23 € y que el ingreso en cada periodo es de 2.812,94 €. Sin
embargo, se considerará que las tarifas eléctricas y de gas natural van a tener un incremento de un 3% anual. De esta
manera, los ingresos por periodo ser verán aumentados año a año. Con las premisas indicadas, se calcula el VAN hasta
un periodo de 10 años con un tipo de descuento del 5%.
En la figura 12 se observa que el VAN no es positivo hasta el año séptimo.
Fig. 12: Gráfica del VAN al 5%
Este resultado es favorable, pues la vida media útil de este tipo de instalaciones está estimada en 25 años, momento
en el cual la inversión se habrá amortizado.
8. CONCLUSIONES
Se vuelve a insistir en que un primer análisis del diseño del edificio es fundamental para la reducción del consumo
del mismo. Es muy importante conocer la climatología existente en el lugar donde va ir ubicado el edificio, para poder
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así tomar las decisiones oportunas. En el presente estudio se ha optado por el diseño de un edificio compacto con
grandes aislamientos, para reducir al máximo las pérdidas energéticas. Asimismo, se han diseñado protecciones solares,
que permiten evitar la radiación solar en verano y captar energía en invierno. Estos conceptos de diseño se han ido
comprobando y corrigiendo mediante el programa EnergyPlus hasta lograr un diseño adecuado.
Los resultados obtenidos en la simulación han concluido que el consumo de energía primaria para calefacción en la
vivienda pasiva se divide entre cuatro con respecto a una vivienda convencional. Este hecho se ha logrado,
fundamentalmente, con el diseño de aislamientos de grandes espesores (20 cm). Pero además, un elemento fundamental
para reducir la demanda de energía para calefactar la vivienda ha sido el uso de una bomba de calor geotérmica, una
gran desconocida en nuestro país. La bomba escogida tiene un COP de 5,63, lo que significa que por cada kWh que se
consuma de energía eléctrica se obtendrán 5,63 kWh de energía térmica. Independientemente de las condiciones
meteorológicas, el rendimiento de la instalación no se ve afectado al mantenerse la temperatura del terreno constante, a
diferencia de un sistema convencional aire-agua que depende de la temperatura exterior. Estos diseños, acompañados
del uso de energías renovables, provocan un ahorro energético total.
El diseño propuesto ha apostado por el uso de energías renovables y ha demostrado, no sólo que son
medioambientalmente positivas, si no que son además rentables. Después de haber hecho un estudio económico, se
puede afirmar que la inversión de las instalaciones se recupera en siete años. A partir de ese momento en que la
inversión se ha amortizado, la vivienda aportará beneficios económicos. Esto es así porque habrá día del año en los que
haya excedentes energéticos que se venderán a la compañía, que compensarán económicamente los días del año en los
que no haya energía solar disponible. Este tipo de instalaciones presentan un sobrecoste inicial importante, pero a la
larga son rentables. Por supuesto, esta rentabilidad en parte es conseguida gracias a las subvenciones del EVE.
Por último, y como herramienta de ayuda al diseño, es importante indicar que el EnergyPlus es un programa muy
completo para la simulación de cargas en edificios, así como todas las instalaciones de los mismos, ya sean sistemas de
ventilación, bombas de calor, paneles fotovoltaicos, etc. Los informes de resultados que ofrece son muy completos y
prácticamente se pueden simular casi todas las instalaciones que uno desee. Sin embargo, pese a todas las ventajas que
presenta el programa, la complejidad a la hora de introducir datos, es una de las principales desventajas. Para poder ser
utilizado, es necesario dedicarle un extenso tiempo para familiarizarse con el formato del programa. Por otra parte, se
trata de un programa tan abierto, que cualquier modificación puede alterar de manera sustancial los resultados, por lo
que se debe tener un control absoluto.
Como conclusión final, remarcar la necesidad de que los técnicos se familiaricen con este tipo de programas, que nos
ayudan a lograr diseños eficientes. En el 2020 tendremos que construir edificios de consumo casi nulo y debemos estar
preparados.
9. BIBLIOGRAFIA
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Baño-Nieva A, Vigil-Escalera del Pozo A. Guía de Construcción Sostenible. Instituto Sindical de Trabajo, Ambiente y Salud. (ISTAS). Madrid.
Noviembre 2005. 126 p.
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Gustavo Gili. Barcelona. 2007.
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Unión Europea. Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010, relativa a la eficiencia energética de
los edificios. 6 de junio de 2010. L153/13. 23 p.
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España. Código Técnico de la Edificación, aprobado por el Real Decreto 314/2006 de 17 de marzo. Ministerio de Industria y Energía. Madrid.
España. Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios, aprobado por el Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio. Ministerio de Industria y
Energía. Madrid.
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