Rehabilitación de la fachada original del edificio BBVA de Bilbao, en clave de eficiencia energética y coste óptimo

A la izquierda, imagen original del edificio BBVA de Bilbao; a la derecha, recreación de la intervención planteada en el trabajo, en la opción más óptima (imagen del autor).

Según datos de la Unión Europea (UE) los edificios son responsables del 40% del consumo de la energía primaria y un 36% de las emisiones de CO2. Con un sector de la construcción en fase de expansión, en el que se calcula que un cuarto del stock de edificios para 2050 está por construir, la UE ve necesario tomar medidas para reducir el consumo energético de los edificios (nuevos y existentes).

Con este objetivo se publicó la Directiva 2010/31/UE, conocida como EPBD (Energy Performance of Building Directive), que persigue: la reducción de la demanda energética de los edificios por medio de estrategias de diseño pasivo. Uno de los apartados más relevantes de la directiva es el requerimiento de que todos los edificios sean de consumo ‘casi’ nulo, o nearly Zero Energy Buildings (nZEB)

Con este trabajo se pretende analizar los términos de los nearly Zero Energy Buildings (nZEB) que se usan habitualmente en el ámbito de la edificación aplicando una metodología de cálculo y ponerla en práctica en un edificio real de una tipología de alto consumo energético. De esta manera, la experimentación se desarrolla sobre un edificio de oficinas real existente, en concreto el edificio BBVA de Bilbao, antes de la rehabilitación actual. Este trabajo estudia el edificio original con la envolvente arquitectónica de 1980 antes de cualquier otra intervención que ya ha tenido el edificio.

Las conclusiones sobre las soluciones de ahorro energético y económico derivadas de esta investigación serán, de forma muy general, válidas para todos los edificios de oficinas, debido a que este tipo de edificios comparte una serie de características de ocupación, uso, etc.

Sin embargo, el objetivo personal de este trabajo es desarrollar una metodología, planteando un desarrollo práctico para llevar a cabo un cálculo de coste óptimo de la rehabilitación de una fachada, sin despreciar el diseño arquitectónico y en clave de eficiencia energética, a su vez si se pudiera conseguir un coste de inversión y operación a 20 años vista… donde tengamos un número de €-Kw/hora de consumo de refrigeración, calefacción, iluminación para poder elegir las mejores opciones de fachadas, según un cálculo de coste óptimo y en clave de eficiencia energética.

• Objeto

El principal objeto es plantear un desarrollo para los aspectos citados en la metodología de desarrollo de los nZEB de la EPBD, y las Delegated Regulation 244/2012, para la consecución de un ZEB coste-óptimo. Estos documentos establecen una serie de aspectos que debieran tenerse en cuenta en el cálculo de las soluciones coste-óptimas para edificios, sin embargo, no proponen ni un desarrollo, ni herramientas que permitan llevar a cabo este tipo de cálculos de una manera efectiva. En esta investigación se planteará una posible vía de desarrollo para responder a las directrices de estos documentos.

Para la validación de la metodología, se pondrá en práctica sobre un edificio real de la ciudad de Bilbao. Se analizarán las soluciones constructivas, estrategias de diseño y prácticas de uso del edificio original, y se compararán con las que debería disponer el edificio para convertirse en un ZEB desde un punto de vista coste-óptimo o, por lo menos, llegar al máximo que nos podamos acercar.

Para ello, el edificio será modelado virtualmente en Design Builder y será calibrado con la climatología de su posición real, usando un archivo climático específico creado con los datos de ese mismo año. Sobre la simulación calibrada se plantearán diferentes variables de uso y estrategias para la reducción de la demanda y del consumo energético, con el objetivo de alcanzar un nivel ZEB.

• Simulaciones energéticas

En esta investigación se usarán simulaciones energéticas para determinar los ahorros que podrían suponer la utilización de diferentes estrategias de arquitectura pasiva, el uso de sistemas y equipos de alta eficiencia energética y el aporte de energías renovables. Se realizarán simulaciones horarias a lo largo de un año de análisis (8.760 horas).

El motor de cálculo que se utilizará es el EnergyPlus, con la interface gráfica Design Builder. EnergyPlus es un software de simulación y análisis energético de edificios, que permite analizar la demanda y consumo de un modelo proyectado.

• Modelo base

Se considerarán como punto de partida las características constructivas actuales del edificio de referencia. Sobre esta base se estudiarán diferentes soluciones constructivas o estrategias de diseño que podrían llegar a darse en el edificio.

El ‘Modelo Referencia’, será una representación virtual del edificio real, cuyo consumo está condicionado por diversos aspectos, tales como la climatología y su uso. Se entiende que la primera es invariable, sin embargo, como ejercicio previo al análisis de variables constructivas, el modelo de referencia será estudiado para establecer si existen aspectos, como una gestión más eficiente de sus sistemas o un mejor uso por parte de los ocupantes, que permitirían optimizar el edificio, reduciendo su consumo energético con respecto a su estado actual.

• Variables energéticas

Las variables a analizar podrían ser infinitas, es por eso que han sido limitadas al análisis de aquellos sistemas y características habituales en la construcción. El nivel de exigencia máxima de cada variable ha sido fijado de acuerdo con las mejores prácticas constructivas habituales en la actualidad. En términos generales las variables a analizar son las siguientes:

Estrategias pasivas: Las estrategias de diseño pasivo permiten reducir la demanda energética del edificio. Generalmente suelen tener una buena relación coste-eficiencia.

Orientación: Se calcula el edificio con la orientación real del mismo.

• Window to Wall: La correcta proporción de vidrios con respecto al cerramiento opaco, o área solar equivalente permite maximizar los niveles de iluminación natural, minimizando las pérdidas térmicas y optimizando las ganancias térmicas por fachada.

• Características térmicas de la envolvente opaca: El incremento del aislamiento térmico permite reducir los valores de transmitancia térmica, reduciendo las pérdidas térmicas por transmisión y reduciendo la demanda energética.
• Características de vidrios: El acristalamiento es el principal elemento de captación de la iluminación natural en el edificio. Sin embargo, a través de él se producen las mayores ganancias y pérdidas térmicas de los espacios interiores. Es necesario lograr un equilibrio entre las propiedades lumínicas, térmicas y de control solar del acristalamiento, en función de la climatología y uso del edificio. Se analizarán diferentes variables de transmitancia térmica o U, factor solar o SHGC y transmisión luminosa o TL de los vidrios.
• Control solar: El correcto control solar es determinante para la reducción de la demanda energética de los edificios. La entrada del sol en el edificio debería permitirse cuando exista demanda de calor e impedirse cuando exista demanda de frío. Existen dos tipos de protecciones solares: las protecciones solares pasivas, capaces de ofrecer un sombreamiento sin medios activos (lamas fijas, voladizos, etc…); o las protecciones solares activas o móviles, que requieren de un mecanismo para sombrear adecuadamente. En el modelo del edificio analizado en este trabajo, se diseñaron lamas de la misma longitud en cada fachada, en base a un criterio de optimización constructiva y de costes. Es verdad que en la orientación norte se podrían evitar y ahorrar.
• Nivel de infiltraciones: El nivel de infiltraciones establece la permeabilidad del edificio al aire exterior. Las infiltraciones no son deseadas, ya que provocan disconfort térmico y son determinantes en el consumo energético de los edificios (especialmente en climas muy fríos o muy cálidos).
• Ventilación natural: La ventilación natural es una estrategia bioclimática muy efectiva en climas templados y altamente recomendable.

• Estrategias de mejora de la eficiencia energética de los sistemas y equipos

Las estrategias activas de eficiencia energética, permiten reducir el consumo energético de un edificio mediante sistemas y equipos de alto rendimiento energético. Se considera que el edificio de referencia dispone de sistemas de muy alta eficiencia energética, especialmente en la producción y distribución térmica.

• Fachada Original

Las zonas opacas de aluminio están resueltas mediante un forro de panel sándwich conformado por chapa de aluminio, componente aislante de lana de roca y chapa de aluminio sujetas al muro cortina por los perfiles presores y rematadas por las tapetas embellecedoras del muro cortina. Rematando la zona opaca de aluminio, planchas de aluminio forjado conforman una doble piel, sujeta mecánicamente al panel sándwich. Parte de la tornillería exterior está cubierta por silicona, así como los encuentros entre panel sándwich y muro cortina. Las zonas opacas de hormigón o ladrillo están resueltas rematando con planchas de aluminio forjado para conformar la doble piel, siguiendo el mismo modo de trabajo. Las zonas transparentes de vidrio sobre carpintería de aluminio están resueltas mediante la sujeción mecánica al muro cortina mediante tornillería y sellados. Así mismo, se ha sellado el vidrio al marco de ventana para una mayor estanqueidad del conjunto.

• 1°Cálculo: Modelo BBVA base sin ventilación natural

Nivel Tipo Modelo en DesignBuilder, calculado con bloques adiabáticos en los niveles inferiores y superiores.

• Simulación y Cálculo Modelo BBVA base sin ventilación natural

• Resultados Modelo BBVA base sin ventilación natural

Resultado Final Modelo BBVA base sin ventilación natural

Proceso gráfico de todos los modelos en Design Builder calculados

Cuadro resumen de todas las variables estudiadas

Esta metodología permite identificar un rango de mejores diseños de un edificio, desde un punto de vista de coste, confort, consumo energético o impacto ambiental.

El objetivo final detrás de este trabajo es poder ofrecer una metodología sencilla que permita diseñar edificios más confortables, de menor consumo energético, coste-óptimos y con un menor impacto ambiental. En definitiva, contribuir en el diseño de mejores edificios para nuestras ciudades.

Agradecimientos

A Blas Beristain y Eduardo Tello, su experiencia en el ámbito de la energía ha sido determinante, sin ellos hubiera sido muy difícil alcanzar tal desarrollo en este trabajo.