UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERÍA TRABAJO DE GRADUACIÓN: RETROFIT DE EDIFICIOS DE OFICINA EN EL SALVADOR CON EL OBJETIVO DE ALCANZAR UN NIVEL DE DESEMPEÑO NZEB PARA OPTAR AL GRADO DE: MAESTRO(A) EN GESTIÓN ENERGÉTICA Y DISEÑO AMBIENTAL PRESENTADO POR: ARIZA RODRÍGUEZ, RENÉ IVÁN CASTILLO HERNÁNDEZ, JAVIER ANTONIO MEMBREÑO VELA, SAÚL ALEJANDRO ASESOR: Dr. LUIS AARÓN MARTÍNEZ Antiguo Cuscatlán, La Libertad, El Salvador Centroamérica Julio de 2024 ÍNDICE DE CONTENIDO ABREVIATURAS ............................................................................................................... 1 RESUMEN ......................................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1 – GENERALIDADES .................................................................................... 5 1.1 Introducción ......................................................................................................... 5 1.2 Antecedentes ........................................................................................................... 6 1.2 Planteamiento del Problema ................................................................................ 9 1.4 Objetivo General..................................................................................................... 10 1.4.1 Objetivos Específicos ...................................................................................... 10 1.5 Justificación de la Investigación. ............................................................................. 10 1.6 Hipótesis................................................................................................................. 11 1.6.1 Hipótesis general. ............................................................................................ 11 1.6.2 Hipótesis específicas. ...................................................................................... 11 1.6.3 Hipótesis nula. ................................................................................................. 11 1.6.4 Hipótesis estadística. ....................................................................................... 12 CAPÍTULO 2 – MARCO TEÓRICO .................................................................................. 13 2.1 Definición de desempeño NZEB ........................................................................ 13 2.2 Definición de Retrofit .......................................................................................... 13 2.2.1 Alcance del Retrofit: Retrofit Estándar vs. Retrofit Profundo ....................... 14 2.3 Metodologías para Evaluar un Retrofit ............................................................... 15 2.3.1 LEED .......................................................................................................... 15 2.3.2 Estándar ASHRAE 90.1 .............................................................................. 17 2.4 Sistemas Considerados al Realizar un Retrofit a un Edificio .............................. 21 2.4.1 Iluminación y HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado): .......... 21 2.4.2 Aislamiento y Ventanas: .............................................................................. 21 2.4.3 Tecnología de Edificios Inteligentes: ........................................................... 22 2.4.4 Módulos Fotovoltaicos: ............................................................................... 22 CAPÍTULO 3 – CASOS DE ESTUDIO ............................................................................. 24 3.1 Caso de Estudio: Retrofit Estándar a Oficinas de HRO, Wells Fargo Center, Denver Colorado. ...................................................................................................................... 24 3.2 Caso de Estudio : Retrofit Profundo (Deep Retrofit) al Empire State, New York ..... 27 3.3 Caso de Estudio: Retrofit Profundo (Deep Retrofit) al Leon County Cooperative Extension, Florida. ........................................................................................................ 30 3.4 Caso de Estudio: Retrofit Aplicado a Edificio de Oficina Anna Maria Historic Green Village, estado de Florida, Estados Unidos. ................................................................. 32 3.5 Caso de Estudio: Retrofit a Edificio de oficinas en el Estado de Hidalgo, México. .. 34 3.5.1 Estrategia de optimización: Pirámide de Prioridades ................................... 35 3.5.2 Pasos para Mejorar el Balance Energético.................................................. 35 3.5.3 Resultados Obtenidos ................................................................................. 37 3.5.4 Conclusiones del Caso de Estudio .............................................................. 41 CAPÍTULO 4 – CARACTERIZACIÓN DE UN MODELO DE EDIFICIO DE TIPO OFICINA REPRESENTATIVO LOCALMENTE ................................................................................ 42 4.1 Metodología ............................................................................................................ 42 4.1.1 Objetivos de la Encuesta ............................................................................. 45 4.1.2 Población Destinataria ................................................................................ 45 4.1.3 Procedimiento y Gestión de la Calidad ........................................................ 46 4.1.4 Contenido de la Encuesta ........................................................................... 47 4.2 Pertinencia del Instrumento ................................................................................ 48 4.2.1 Adaptación al Entorno Local ............................................................................ 48 4.2.2 Bienestar y Productividad de los Usuarios .................................................. 49 4.2.3 Eficiencia Energética y Sostenibilidad ......................................................... 49 4.3 Datos Empleados para Caracterizar un Edificio de Tipo Oficina Ubicado en el AMSS 49 4.3.1 Caracterización Cualitativa del Edificio Según Encuesta ............................. 49 4.3.2 Caracterización Cuantitativa del Edificio ..................................................... 55 4.3.3 Modelado y Simulación Energética del Caso de Estudio de un Edificio de Oficina Salvadoreño ................................................................................................. 59 CAPÍTULO 5 – ANÁLISIS DE UN CASO DE ESTUDIO: RETROFIT ENERGÉTICO APLICADO A UN EDIFICIO DE OFICINA SALVADOREÑO ............................................ 66 5.1 Metodología Utilizada para Realizar el Retrofit ................................................... 66 5.2 Aplicación de Estrategias de Retrofit ...................................................................... 68 5.2.1 Paso 1: Ventilación natural .............................................................................. 68 5.2.2 Paso 2: Estrategias Activas - Eficiencia Energética de los Equipos y Luminarias 69 5.2.3 Paso 3: Simulaciones Paramétricas del Acristalamiento del Edificio ................ 71 5.2.4 Paso 4: Estrategias activas – Eficiencia del Aire Acondicionado ...................... 75 5.2.5 Optimización de la Envolvente y Set Point de Temperatura ............................. 76 5.3 Proyección de la Generación Fotovoltaica .............................................................. 98 5.3.1 Evaluación Inicial para el Diseño del Sistema Fotovoltaico .............................. 99 5.3.4 Dimensionamiento del Sistema ...................................................................... 100 5.3.5 Diseño del Sistema ........................................................................................ 102 5.3.7 Instalación y Puesta en Marcha ..................................................................... 106 5.3.8 Mantenimiento y Monitoreo ............................................................................ 106 5.4 Balance de Cero Energía ................................................................................. 107 CAPITULO 6.: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .......................................... 109 6.1 Conclusiones ................................................................................................... 109 6.2 Recomendaciones ........................................................................................... 110 CAPÍTULO 7. REFERENCIAS ....................................................................................... 111 ANEXO A: ENCUESTA UTILIZADA PARA CARACTERIZAR EDIFICIO DE LINEA BASE ....................................................................................................................................... 117 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Representación Gráfica del Balance Cero Energía Neta (Fuente: Satori, et al, pág. 5, 2010). 6 Figura 2: Variables Consideradas para Clasificar un Edificio de Cero Energía Neta (Fuente: Patiño-Cambeiro et al, pág 4, 2016) 8 Figura 3: Wells Fargo Center, edificio que alberga la firma legal HRO en Denver, Colorado. (Fuente: Wikipedia, 2024) 24 Figura 4: Edificio Empire State, Nueva York. (Fuente: Wikipedia, 2008). 27 Figura 5: Película aislante instalada en las ventanas del Empire State. (Fuente: Empire State Realty Trust, 2024). 29 Figura 6: Ilustración del proceso completo de fabricación de las ventanas del Empire State. (Fuente: Refrofitmagazine, 2024). 29 Figura 7: Edificio Leon County Cooperative Extension. (Fuente: Retrofit Magazine, 2014). 31 Figura 8: Vista aérea del Anna Maria Historic Green Village. (Fuente: New Buildings Institute, 2012). 34 Figura 9: Edificio objeto del caso de estudio. (Fuente: plataformaptec.es) 34 Figura 10: Pirámide de prioridades en el proceso de optimización. (Fuente: construible.es, 2024) 35 Figura 11: Diagnóstico y Medidas a Implementar para la Mejora del Balance Energético.(Fuente: construible.es, 2024) 36 Figura 12: Matriz de Variables Afectadas por el Agrado de Transparencia de los Vidrios Fotovoltaicos. (Fuente: construible.es, 2024) 36 Figura 13: Gráficas de mejora progresiva en el balance energético. (Fuente: construible.es, 2024) 38 Figura 14: Imagen del edificio con las superficies fotovoltaicas integradas. (Fuente: construible.es, 2024) 38 Figura 15: Gráficas de consumo y generación de energía y de emisiones a lo largo del proceso de optimización. (Fuente: construible.es, 2024) 39 Figura 16: Gráficas de consumo energético por usos. (Fuente: construible.es, 2024) 40 Figura 17: Gráfica de consumo energético en el edificio y en el origen. (Fuente: construible.es, 2024) 40 Figura 18: Gráfica de emisiones de carbono. (Fuente: construcción.es, 2024) 41 Figura 19: Características Físicas y Térmicas de un Edificio (Fuente: Elaboración Propia) 44 Figura 20: Origen de los Valores Utilizados en el Análisis Energético del Modelo Base (Fuente: Elaboración Propia) 45 Figura 21: Gráfico de la pregunta R2-1 (Fuente: Elaboración Propia.) 50 Figura 22: Gráfico de la pregunta R2-2. (Fuente: Elaboración Propia.) 51 Figura 23: Gráfico de la Pregunta R5. (Fuente: Elaboración Propia.) 51 Figura 24: Gráfico de la Pregunta R6. (Fuente: Elaboración Propia.) 52 Figura 25: Modificaciones de Datos Climáticos para el AMSS. (Fuente: Elaboración Propia) 60 Figura 26: Representación Gráfica del Modelo Obtenido en las Encuestas a Profesionales. (Fuente: Elaboración Propia) 61 Figura 27: Huella del Edificio Base. (Fuente: Elaboración Propia) 61 Figura 28: Distribución en Planta del Edificio. (Fuente: Elaboración Propia) 62 Figura 29: Balance Energético Anual del Edificio Base. (Fuente: Elaboración Propia.) 63 Figura 30: Balance de Cargas Anual del Edificio Base. (Fuente: Elaboración Propia.) 63 Figura 31: Porcentaje de Consumos Anuales del Edificio (Fuente: Elaboración Propia) 64 Figura 32: Disconfort Térmico en Edificio Base. (Fuente: Elaboración Propia.) 65 Figura 33: Flujo de Trabajo para el Retrofit Energético. (Fuente: Elaboración Propia) 67 Figura 34: Resultado Final del Edificio Luego del Paso 3 (Fuente: Elaboración Propia) 74 Figura 35: Esquema de Alero Lateral Utilizado (Fuente: Elaboración Propia) 74 Figura 36: Esquema de Lamas (Building Shades) Utilizadas (Fuente: Elaboración Propia) 74 Figura 37: Resumen de los Modelos Considerados en el Análisis de Sensibilidad. (Fuente: Elaboración Propia.) 80 Figura 38: Resultados Globales del Modelo de Regresión Lineal: Consumo de Energía. (Fuente: Elaboración Propia.) 82 Figura 39: Diagrama de Cajas y Bigotes para las Variables Independientes del Análisis de Sensibilidad 1. (Fuente: Elaboración Propia.) 85 Figura 40: Gráfico de Regresión Parcial Entre Consumo Energético Total y el Set Point de Temperatura. (Fuente: Elaboración Propia.) 86 Figura 41: Influencia de los Niveles de las Variables Categóricas en la Temperatura de Enfriamiento. (Fuente: Elaboración Propia.) 88 Figura 42: Resumen de Variables del Modelo de Sensibilidad No. 2. (Fuente: Elaboración Propia.) 90 Figura 43: Relación Entre la Temperatura de Enfriamiento y el Disconfort Térmico (Fuente: Elaboración Propia) 91 Figura 44: Diagrama de Cajas y Bigotes Tomando como Variable Dependiente el Disconfort. (a) Masa Térmica; (b) Aislamiento de la Pared; (c) Aislamiento del Techo. (Fuente: Elaboración Propia) 93 Figura 45: Gráfico de Pareto de la Optimización del Consumo Energético y Disconfort (Fuente: Elaboración Propia) 95 Figura 46: Retrofit Energético Realizado a Edificio de Oficina (Fuente: Elaboración Propia) 96 Figura 47: Comportamiento Energético del Edificio a Través del Retrofit (Fuente: Elaboración Propia) 97 Figura 48: Porcentaje de Ahorro de Energía en Cada Paso del Retrofit Respecto al Edificio Base (Fuente: Elaboración Propia) 98 Figura 49: Datos Técnicos del Módulo (Panel) Fotovoltaico Seleccionado (Fuente: Jinko Solar, 2024). 101 Figura 50: Datos Técnicos del Inversor Seleccionado (Fuente: Huawei, 2024). 102 Figura 51: Diagrama unifilar del sistema (Fuente: Elaboración Propia). 103 Figura 52: Pérdidas Utilizadas en la Simulación del Sistema (Fuente: Elaboración Propia). 104 Figura 53: Distribución de Módulos Fotovoltaicos (Fuente: Elaboración Propia) 104 Figura 54: Balance de Energía Anual del Edificio (Fuente: Elaboración Propia) 107 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Resumen de Costos del Proyecto de Retrofit de HRO en el Wells Fargo Center. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011) ..................................................................... 25 Tabla 2: Resumen de ahorros del proyecto de retrofit de HRO en el Wells Fargo Center. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). .................................................................... 26 Tabla 3: Resumen de ahorros en concepto de energía del proyecto de retrofit de HRO en el Wells Fargo Center. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). ................................ 26 Tabla 4: Tabla Resumen de Costos del Proyecto de Retrofit Profundo en el Empire State. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). .................................................................... 28 Tabla 5 - Resumen de datos financieros del proyecto de retrofit profundo del Empire State. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). .................................................................... 28 Tabla 6 - Tabla resumen de ahorro de energía del proyecto de retrofit profundo en el Empire State. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). .......................................................... 29 Tabla 7 - Resumen de datos de proyecto. (Fuente: Retrofit Magazine, 2014). ................. 31 Tabla 8 - Resumen de datos del proyecto Anna Maria Historic Green Village. (Fuente: New Buildings Institute, 2012) .................................................................................................. 33 Tabla 9 - Análisis de variables afectadas por el grado de transparencia de los vidrios fotovoltaicos. (Fuente: construible.es, 2024) .................................................................... 37 Tabla 10: Resultados de la sección A. (Fuente: Elaboración Propia.) .............................. 53 Tabla 11: Resumen de sección B. (Fuente: Elaboración Propia) ...................................... 53 Tabla 12: Resultados de la sección D. (Fuente: Elaboración Propia). .............................. 53 Tabla 13: Resultados de Sección E (Fuente: Elaboración Propia) .................................... 54 Tabla 14: Conductividad Térmica de la Envolvente del Edificio (Fuente: Elaboración Propia.) ......................................................................................................................................... 56 Tabla 15 - Valores térmicos de la fenestración del edificio. (Fuente: elaboración propia.) 57 Tabla 16 - Caracterización de Iluminación del Edificio Base.(Fuente: Elaboración Propia). ......................................................................................................................................... 57 Tabla 17 - Caracterización del Sistema de Climatización del Edificio Base. (Fuente: elaboración propia.) .......................................................................................................... 58 Tabla 18 - Caracterización de la Actividad de los Usuarios del Edificio. (Fuente: Elaboración Propia.) ............................................................................................................................ 59 Tabla 19: Impacto del Uso de la Ventilación Natural en el Consumo Energético. (Fuente: Elaboración Propia.) ......................................................................................................... 69 Tabla 20 - Valores Estandarizados de Consumos Energéticos por Iluminación y Cargas Misceláneas. (Fuente: Elaboración Propia.) ..................................................................... 70 Tabla 21: Reducción del Consumo Energético Entre Paso 1 y Paso 2. (Fuente: Elaboración Propia.) ............................................................................................................................ 71 Tabla 22 - Variables Paramétricas Parciales del Acristalamiento. (Fuente: Elaboración Propia). ............................................................................................................................ 72 Tabla 23 - Simulación paramétrica parcial del acristalamiento. (Fuente: elaboración propia.) ......................................................................................................................................... 73 Tabla 24 - Mejora en la eficiencia del sistema de aire acondicionado. (Fuente: elaboración propia.) ............................................................................................................................. 76 Tabla 25. Variables Consideradas en el Análisis de Sensibilidad. (Fuente: Elaboración Propia.) ............................................................................................................................ 78 Tabla 26 - Resumen de los Coeficientes de la Regresión. (Fuente: elaboración propia.) . 82 Tabla 27 - Resumen de Pruebas ANOVA por Niveles para las Variables Categóricas. (Fuente: Elaboración Propia.) ........................................................................................... 86 Tabla 28. Resultados análisis ANOVA tomando como variable dependiente la Temperatura de enfriamiento. (Fuente: elaboración propia.) ................................................................. 89 Tabla 29. Coeficientes de la Regresión Múltiple Tomando Como V.D. la Temperatura de Enfriamiento. (Fuente: Elaboración Propia.) ..................................................................... 91 Tabla 30. Resumen análisis ANOVA Tomando como Variable de Respuesta el Disconfort. (Fuente: Elaboración Propia) ............................................................................................ 94 Tabla 31: Combinación Optima de Envolvente y Set point (Fuente: Elaboración Propia) . 96 Tabla 32: Resumen del Consumo Energético en Cada Fase del Retrofit Energético (Fuente: Elaboración Propia) .......................................................................................................... 96 Tabla 33: Generación Fotovoltaica (Fuente: Elaboración Propia) ................................... 100 Tabla 34: Configuración del Sistema Fotovoltaico (Fuente: Elaboración Propia) ............ 105 Tabla 35: Balance Energético del Edificio Optimizado (Fuente: Elaboración Propia) ...... 108 1 ABREVIATURAS IRENA: International Renewable Energy Agency FV: Fotovoltaico SFV: Sistema fotovoltaico DGEHM: Dirección General de Energía, Hidrocarburos y Minas kWp: Kilovatio-pico Wp: Vatios-pico kW: Kilovatio MPPT: Maximum Power Point Tracker Voc: Tensión de circuito abierto Isc: Corriente de cortocircuito Imp: Corriente del punto de máxima potencia Vmp: Tensión del punto de máxima potencia Pmax: Máxima potencia que entrega el panel Vm: Tensión máxima Im: Intensidad máxima FF: Factor de Forma Hz: Hercio o Hertz DC: Corriente directa AC: Corriente alterna W: Vatio USD: Dólar Estadounidense TDR: Términos de Referencia UE: Unión Europea 2 EE. UU: Estados Unidos de América W/m²: Vatios por Metro Cuadrado O&M: Operación y Mantenimiento 3 RESUMEN Estamos en un contexto mundial complejo, en el cual los ecosistemas y la naturaleza del mundo están viéndose deteriorados por la actividad humana, la cual nunca tuvo un enfoque sostenible. El uso óptimo de nuestros recursos, como el agua y la energía, es un pilar fundamental de la sostenibilidad, y es una de las opciones que han de mitigar las crecientes consecuencias del cambio climático. Si bien, la mayor parte de la atención está enfocada en las edificaciones nuevas, en donde según el presidente del El Salvador Green Building Council, el Ing. Francisco Sifontes, señala que el 8% de estas edificaciones optan por la sostenibilidad en El Salvador (Diario El Mundo, 2023), se han dejado de lado los edificios existentes, los cuales, desde su concepción hasta su finalización, en su mayoría no han tenido en su enfoque la sostenibilidad. En este estudio se analizan las construcciones existentes y uno de los métodos para lograr (o al menos acercarse) a la sostenibilidad consiste en implementar un retrofit energético. Este enfoque implica la sustitución de sistemas obsoletos, la renovación y mejora de las envolventes, la incorporación de fuentes de energía renovable a pequeña escala en el mismo sitio y la apuesta por estrategias de arquitectura pasiva. Así, se busca reducir considerablemente el consumo de energía y, como resultado, las emisiones de gases de efecto invernadero, hasta alcanzar el desempeño energético deseado. En el segundo capítulo de este estudio, se exponen los conocimientos teóricos necesarios para comprender en qué consiste un retrofit, y los diversos tipos de retrofit que se pueden aplicar a una edificación. Esto incluye una breve descripción de los sistemas que se deben incluir en un retrofit, según el libro “Guía de retrofit energético avanzado: Maneras prácticas para mejorar el desempeño energético en edificios de oficinas”, del Departamento de Energía de los Estados Unidos de América. Siguiendo las recomendaciones de este libro, se realiza una descripción de las metodologías sugeridas (LEED, ASHRAE), de los requisitos generales que se consideran en el desempeño energético de un edificio, cómo estas metodologías evalúan un retrofit y los requerimientos técnicos para poder hacerlo. En el tercer capítulo se abordan los casos de estudio más representativos de edificaciones donde se aplicó retrofit energético en distintos climas, destacando las medidas de retrofit adoptadas para cada caso, los sistemas involucrados y los rendimientos energéticos logrados. 4 En el cuarto capítulo se caracteriza el edificio de oficinas típico del área metropolitana de san salvador, según los datos recolectados. Primero, se expone la metodología utilizada, junto con los resultados del instrumento de recolección de datos utilizado, que en este caso fue una encuesta la cual se basó en una guía de modelado energético de la Administración de Información Energética de los Estados Unidos. Con la recolección de datos realizada, se sintetizó un modelo con las características necesarias para el análisis energético. En este paso, se recolectó la información necesaria para cumplir con los requerimientos de simulación del software. El modelo obtenido de esta manera representa el caso base para los análisis de este estudio. En el quinto capítulo se discute la metodología propuesta para realizar un retrofit al edificio base que es el edificio que representará el consumo energético y configuraciones iniciales del edificio producto de las encuestas e investigaciones realizadas. En este capítulo se determinan los pasos a seguir para aplicar un retrofit a un edificio de oficina del Área Metropolitana de San Salvador, y el orden en que han de ser aplicados. En las siguientes subsecciones del capítulo, se evalúan los impactos de cada una de estas medidas en la reducción de la energía consumida del edificio con base en simulaciones energéticas en el programa de simulación DesignBuilder v7 que es una interfaz que permite utilizar como motor de simulaciones energéticas EnergyPlus v9.4. Posteriormente, se plantean todos los detalles del sistema de generación fotovoltaico en sitio a implantar, para finalmente evaluar según las simulaciones si es factible alcanzar el desempeño NZEB. 5 CAPÍTULO 1 – GENERALIDADES 1.1 Introducción El mundo se encuentra en una etapa crítica en la lucha contra el cambio climático, y los efectos negativos de la emisión masiva de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Una de las actividades humanas que suponen una de las mayores contribuciones a la emisión de gases de efecto invernadero son los edificios, los cuales representan a nivel global, una contribución del 40% en el consumo energético (Comisión Europea, 2020), y en similar proporción a la producción de gases de efecto invernadero. Esto convierte a los edificios en un objetivo urgente y de suma importancia para promover planes de acción para combatir las causas de las emisiones de gases de efecto invernadero. Teniendo en cuenta la huella de carbono que representan los edificios, y el potencial de ahorro que supondría tener edificios energéticamente más eficientes, es que países como los Estados Unidos de América por medio del Departamento de Energía (NREL, 2016), se propuso por medio de una orden ejecutiva, que para el año 2020 en adelante, todos los edificios nuevos de naturaleza federal con un área de construcción mayor a 5,000 pies cuadrados debían concebirse para lograr un desempeño Cero Energía Neta (CEN ó NZEB, en inglés), en adelante, NZEB, lo que en otras palabras significa que tengan un alto rendimiento energético, y que a su vez, suplan su baja demanda energética con fuentes renovables instaladas en sitio o cercano, como es el caso para tecnologías solares o eólicas. Si bien, estos esfuerzos y nuevas políticas están dirigidos a edificios nuevos, se considera que podría existir un gran potencial de ahorro en edificaciones existentes, por medio de la implementación de medidas para lograr mejores desempeños energéticos y operaciones más sostenible, con técnicas como el retrofit de edificios. El retrofit de edificios, concepto que será definido con mayor detalle en la siguiente sección, consiste básicamente en un acercamiento que debe ser sistemático, con el cual se determinan aquellas modificaciones y acciones a tomar para un edificio existente, tal que estas promuevan un uso más eficiente de la energía y que sean rentables. El presente trabajo de graduación parte de la necesidad de conocer el potencial ahorro energético, y, por lo tanto, la viabilidad económica de la modificación de las edificaciones existentes al ser llevadas a un desempeño energético que las clasifique como NZEB, para 6 lo cual es necesario conocer las características constructivas de las edificaciones existentes del país, así como también los desempeños energéticos que estos tienen. Se ha delimitado el alcance a edificios de tipo oficina debido a que los datos de este tipo de edificios suelen ser más accesibles que los demás tipos de edificios. Este estudio es una exploración teórica de los resultados esperados de la aplicación de metodologías existentes para el retrofit de edificios de oficina, orientadas a convertir estos edificios a un tipo NZEB. 1.2 Antecedentes Se define a un edificio cero energía neta como aquel edificio que independientemente de su naturaleza, es decir, con un uso final comercial, residencial, educativo, institucional, entre otros. Teniendo un desempeño energético muy alto, y una demanda energética muy baja. A su vez, este tipo de edificio deben ser capaces de suplir su baja o casi cero demanda de energía a lo largo de un período de tiempo establecido, en gran parte mediante el uso de energías renovables (REHVA, 2011). En este periodo de tiempo la energía total consumida puede cuantificarse en diferentes unidades para realizar un balance, estas unidades pueden ser kWh, emisiones de toneladas equivalentes de CO2, $/kWh, entre otros. Y la energía renovable suministrada al edificio debe de ser igual o mayor a la energía cuantificada en el periodo de tiempo establecido. La siguiente ecuación representa la condición a cumplir para poder asegurar que el comportamiento que tiene es cero energía neta (Torcellini et al, 2006). (Ec. 1) De manera gráfica, los edificios de cero energía pueden representarse de la siguiente manera: Figura 1: Representación Gráfica del Balance Cero Energía Neta (Fuente: Satori, et al, pág. 5, 2010). 7 Al analizar un edificio como un sistema termodinámico, éste puede tener diferentes fronteras a través de las cuales se puede cuantificar el balance de energía necesario, no obstante, se pueden utilizar diferentes métricas para cuantificar el balance de energía. Dependiendo de las decisiones tomadas al momento de diseñar el edificio, así como los objetivos que se pretendan alcanzar con este tipo de proyectos, así podrá clasificarse el edificio de cero energía neta. Paul Torcellini et al (2006, 6), miembro del National Renewable Energy Laboratory, en su artículo Zero Energy Buildings: A Critical Look at The Definition, ha clasificado este tipo de edificios en las siguientes definiciones: I. Net Zero On Site Energy: En este tipo de edificios, se logra la cero energía neta a lo largo de un periodo de tiempo determinado y según la métrica elegida, con las fuentes de energías renovables integradas adentro de la huella del edificio como en el caso de tener paneles solares sobre el techo o hacer el uso de tecnologías como las BIPV “Building Integrated Photovoltaic” que son paneles solares ubicados en paredes y ventanas del edificio o tener un generador fotovoltaico ubicado en el parqueo del edificio. II. Net Zero Source Energy: En este tipo de edificios, la energía renovable suministrada a lo largo del periodo de tiempo donde se ha realizado el balance de energía, proviene de fuentes renovables que se encuentran afuera de la frontera del edificio, como podría ser el caso de energía eléctrica suministrada por la distribuidora de energía del edificio proveniente de fuentes renovables. La energía proveniente de fuentes de energía renovables al edificio se debe de calcular como la energía en la fuente, es decir, antes de sufrir pérdidas por las ineficiencias del sistema de distribución antes de ser entregada al edificio. III. Net Zero Energy Costs: Para esta definición de cero energía neta, la métrica utilizada es el costo de la energía y el balance de cero energía neta alcanzado debe de realizarse entre la cantidad de dinero que la empresa distribuidora paga al propietario del edificio según el contrato que tengan por la venta de la energía exportada del edificio a la red de distribución y la cantidad de dinero que el propietario paga a la empresa distribuidora por la energía comprada de la red de distribución a lo largo de un periodo de tiempo establecido. IV. Net Zero Energy Emissions: En esta clasificación de cero energía neta, se toma en cuenta la métrica utilizada, en términos de toneladas equivalentes de CO2 , realizando un balance dentro de un periodo de tiempo establecido, entre las emisiones producidas por las 8 fuentes de energía que abastecen al edificio y las emisiones reducidas por el uso de energías renovables en el abastecimiento de energía del edificio. Otro tipo de emisiones utilizadas en el balance pueden ser los óxidos de nitrógeno y los óxidos de azufre. Figura 2: Variables Consideradas para Clasificar un Edificio de Cero Energía Neta (Fuente: Patiño-Cambeiro et al, pág 4, 2016) Dentro de las variables consideradas en la Figura 2, Patiño-Cambeiro et al (2016) han identificado que cuando un edificio de cero energía es exitoso, se tiene que explorar la posibilidad de expandir las fronteras del balance energético más allá de un solo edificio y considerar un conjunto de edificios o vecindario. Un edificio de cero energía neta es un proyecto integrativo que dependerá de las características del proyecto para definirlo, a su vez este tipo de edificios por su naturaleza, son edificios sostenibles que pueden certificarse con diferentes metodologías de evaluación como lo son LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Method), Passive Haus, CASBEE (Comprehensive Assessment System for Built Environment Efficiency) que son métodos de evaluación internacionales, así como con métodos nacionales como es el caso de la actual normativa de evaluación de la OPAMSS llamada HAUS que es una Guía de Hábitats Urbanos Sostenibles la cual se comenzó a aplicar en el año 2019 a los nuevos proyectos urbanísticos de San Salvador, implementando en las distintas etapas de los proyectos ya sean de diseño, construcción o funcionamiento. 9 1.2 Planteamiento del Problema Hasta el año 2021, solamente en 8 países de América Latina se tenía un registro de algún proyecto, ya sea construido o en etapas de desarrollo sobre edificios de cero energía neta, dichos edificios sumaban 25 en total, demostrando que, en América Latina, aún se está en proceso de trabajar en soluciones ante las problemáticas del clima, culturales, sociales, técnicas y económicas propias de cada país y su contexto. (Chen Austin et al, 2021). La demanda energética de los edificios está influenciada por varios parámetros climáticos, como lo son la temperatura, la radiación solar, la dirección del viento y la humedad relativa del ambiente, donde el edificio actúa como un lugar que modifica el clima en su interior, dependiendo de la zona climática donde se ubique el edificio y el tipo (frío, caliente, húmedo, verano caliente, invierno helado, entre otros.), el consumo de energía puede variar. Los factores que más influyen en el consumo de energía en un edificio son la climatización interior, características constructivas, sistemas de servicios del edificio, características del uso de los ocupantes, factores asociados al contexto socioeconómico del edificio o el uso eficiente de tecnologías y luminarias en el interior del edificio. (De Silva y Sandanayake, 2012). Según el reporte “Buildings” de la International Energy Agency, en el año 2021, los edificios en general representaron el 30% del consumo de energía y el 27% de las emisiones de gases de efecto invernadero globales, siendo emisores directos del 8% de las emisiones y de manera indirecta del 19% debido a la electricidad y calor usado en los edificios. Ambos valores, tanto el consumo energético como las emisiones se vieron reducidas en el año 2020 debido a la pandemia ocasionada por el COVID-19, pero en el año 2021 han vuelto a aumentar a valores superiores a los que tenían en el 2019. A nivel internacional, estándares de eficiencia mínimos, así como códigos energéticos para los edificios están teniendo un auge y en consecuencia se está acelerando la implementación de tecnología más energéticamente eficiente y el uso de las energías renovables para suministrar energía al edificio. El sector de los edificios necesita un cambio para lograr la meta de las emisiones cero de gases de efecto invernadero para el año 2050. Se ha proyectado que para lograr esta meta al menos el 20% de los edificios existentes deben de ser edificios con cero emisiones para el año 2030 (IEA, 2022). Actualmente, las edificaciones destinadas a oficinas presentan de por sí, un alto consumo energético, debido a que suelen estar fuertemente equipados con sistemas de iluminación, 10 sistemas de tomacorrientes, ascensores, sistemas de bombeo y sistemas de climatización central, los cuales representan altos consumos energéticos al utilizarse de manera estable a lo largo del día, consumo que a su vez tiene un equivalente en emisiones de gases de efecto invernadero. En El Salvador, no existe ninguna regulación energética que “restrinja” u obligue a alcanzar niveles de desempeño energético en edificaciones nuevas o existentes. Es en este contexto que se hace necesaria una metodología nacional para abordar el reto energético que conlleva la operación de edificaciones de tipo oficina existentes e ineficientes, y que, además, al estar estructurada de manera clara para su fácil seguimiento, haría del retrofit una técnica mucho más fácil de seguir en la consecución de la sostenibilidad. En este sentido, el país al estar alineado con los objetivos planeados por la IEA en cuanto a la descarbonización del sector energético para el año 2050, se vería beneficiado con la implementación de esta metodología en edificios de oficinas existentes. 1.4 Objetivo General Identificar, formular y proponer una metodología de rediseño de edificios de oficinas para convertirlo en un edificio de cero energía neta. 1.4.1 Objetivos Específicos • Utilizar herramientas de simulación computacional para analizar el comportamiento energético de un edificio tipo oficina. • Integrar diferentes medidas de eficiencia energética en un diseño existente de un edificio de tipo oficina. • Integrar el uso de fuentes de generación de energías renovables en un edificio de oficina existente para abastecer toda su demanda energética • Generar y simular un edificio modelo que sirva como línea base general en el estudio a realizar y para la determinación de medidas de conservación energética. 1.5 Justificación de la Investigación. El Salvador es uno de los países firmantes de los objetivos de desarrollo sostenible, el objetivo número 11 corresponde a ciudades y comunidades sostenibles. La implementación de una metodología de rediseño de edificios del tipo oficina en el país para lograr que alcancen la cero energía neta es una herramienta que ayudará al país a alcanzar este objetivo del desarrollo sostenible porque un edificio de cero energía neta, por definición, es a su vez un edificio sostenible. Este enfoque está muy poco explorado en el país, pues hay 11 una tendencia a pensar que solo los edificios nuevos son los que pueden cumplir con certificaciones de sostenibilidad. Muchos edificios existentes son sujetos de la implementación de medidas de conservación de la energía, a pesar de ello, se considera que el enfoque podría ser en su mayoría de carácter correctivo, y poco tiene que ver con la consecución de la sostenibilidad, sino más bien en lograr un beneficio económico que representan estas medidas. Por esta razón, se aborda el retrofit energético como un proceso idóneo a aplicar en edificios existentes, que promueve la sostenibilidad, sin dejar de ser rentable. Adicionalmente, este estudio cobra mayor relevancia al utilizar un instrumento de recolección de datos diseñado específicamente para poder caracterizar de manera local a los edificios de oficinas, por lo que las medidas de conservación de la energía exploradas y sus respectivos pesos en el impacto de la reducción del consumo energético serán válidos en para los demás edificios de oficinas. 1.6 Hipótesis. 1.6.1 Hipótesis general. La metodología para el rediseño de un edificio de oficinas deberá integrar medidas de eficiencia energética con la generación de energía mediante fuentes renovables y herramientas de simulación computacional para alcanzar la cero energía neta con niveles de confort térmico aceptables. 1.6.2 Hipótesis específicas. ●La implementación de una metodología para el rediseño de edificios de oficina existentes y su transición a edificios de cero energía neta reducirá el consumo energético de un edificio existente con un nivel de confort térmico aceptable. ●Haciendo uso de diferentes medidas de eficiencia energética, entre ellas el uso de la arquitectura pasiva se puede obtener la cero energía neta en un edificio existente con los materiales de construcción disponibles en el país. 1.6.3 Hipótesis nula. ● Para alcanzar la cero energía neta y niveles de confort térmico aceptables, la metodología para el rediseño de un edificio de oficinas no deberá de integrar medidas de eficiencia energética con la generación de energía mediante fuentes renovables y herramientas de simulación computacional. 12 ● El consumo energético de un edificio y su confort térmico no se reducirán con la implementación de una metodología para el rediseño de edificios de oficina existentes y su transición a edificios de cero energía neta. ● Un edificio de cero energía neta no se puede obtener con los materiales de construcción disponibles en el país y combinándolos con el uso de arquitectura pasiva en edificios de oficina existentes. 1.6.4 Hipótesis estadística. ● La reducción del consumo energético de un edificio es proporcional al número de medidas de eficiencia energética que se implementen en su funcionamiento. ● El cumplimiento de niveles de confort térmico aceptables de un edificio son proporcionales a las medidas de arquitectura pasivas y estrategias de eficiencia energética activas que se implementen en su funcionamiento. 13 CAPÍTULO 2 – MARCO TEÓRICO 2.1 Definición de desempeño NZEB Para una efectiva determinación de las estrategias y medidas a considerar a partir del análisis del modelo de edificación, se debe conocer la definición de NZEB (Net Zero Energy Building, por sus siglas en inglés) ó Edificio de Cero Energía Neta (en español). El sector de la construcción y las edificaciones, como se había revisado anteriormente, es uno de los principales contribuyentes a la emisión de gases de efecto invernadero, y es por esto, que fue en la Unión Europea donde se formuló y acuñó el concepto de NZEB por primera vez, como una manera para minimizar su huella ecológica y asegurar la seguridad energética (J.M. Santos-Herrero, 2021). La Comisión Europea, a través de la Directiva para el Desempeño Energético de las Edificaciones (EPBD), solicitó a cada país miembro de la región a establecer cuantitativamente un rango de niveles de desempeño energético mínimos requeridos a cumplir basados en las condiciones nacionales de cada país, utilizando una metodología en común bajo la consigna siguiente: “que los edificios presenten un consumo de energía óptimo, de 0 kWh/m2 provenientes de energías primarias” (Adruvali, 2018). La definición de un edificio NZEB, como descrita por la Directiva para el Desempeño Energético de las Edificaciones es la siguiente: • Un edificio de casi-cero energía neta es un edificio que tiene un desempeño energético muy alto, y a su vez, una cantidad de energía requerida para operar muy baja o casi cero, la cual debería estar suministrada en su mayoría por fuentes de energías renovables producida en sitio o cerca del edificio (Comisión Europea, 2020). Para los análisis y estudios de este trabajo, se adopta esta definición de NZEB, pues no se encuentran variaciones del término. Si bien, cada país europeo adoptó la definición de NZEB, fue cada uno de estos quienes cuantificaron el desempeño mínimo necesario para considerar como de cero energía neta a sus edificaciones. 2.2 Definición de Retrofit De acuerdo con el diccionario de Oxford, el término retrofit se origina como una composición de dos vocablos en inglés, los cuales son retroactively y fit, y el primer uso de la palabra en cuestión data de la década de 1940, donde comúnmente se referían a instalar una nueva parte a una máquina, que en el momento de su fabricación no lo tenía (Oxford English 14 Dictionary, 2010). Para efectos de este estudio, se acepta esta acepción, no obstante, al ser aplicada a edificaciones se debe ampliar para abarcar las situaciones en las cuáles se necesita modificar lo existente y no solo la adición de elementos estructurales o energéticos. La definición adecuada al tema de estudio, se lee como sigue: La instalación o modificación de un componente de un edificio existente, que en el momento de su construcción no lo tenía, y que suponga una mejora en su rendimiento. Habiendo definido el término retrofit, se utilizará generalmente acompañado del tipo de rendimiento que se pretende mejorar, por ejemplo, se utilizará la combinación retrofit energético para referirse a las modificaciones o adiciones de componentes a realizársele a un edificio para mejorar su rendimiento energético. 2.2.1 Alcance del Retrofit: Retrofit Estándar vs. Retrofit Profundo Para poder catalogar de mejor manera un retrofit, se debe tener en cuenta el alcance y magnitud de este. Mientras que un retrofit estándar se centra en medidas de conservación de energía más “inmediatas” (como lo son todas aquellas medidas en el rubro de la operación y el mantenimiento, y otras medidas estándar), un retrofit profundo va más allá y usualmente bajo un enfoque de diseño integrativo, donde involucren todas las partes del edificio (U.S. Department of Energy, 2011). Mientras que generalmente un retrofit estándar incluye medidas de conservación de energía más rentables y con un bajo riesgo financiero, un retrofit profundo trae consigo un riesgo implicado mucho mayor y periodos de retorno. Generalmente, los procesos de retrofit estándar suelen dividirse en varias etapas, y su implementación no se realiza de manera simultánea, sino en serie, debido a que las modificaciones en un sistema tienen incidencia en los demás sistemas, por ejemplo: una modificación como hermetizar una oficina tiene un impacto directo en la carga térmica que percibe el sistema de climatización de la oficina. (U.S. Department of Energy, 2011) Se debe de aclarar que un retrofit estándar y un retrofit profundo no son mutuamente excluyentes, y más bien el criterio para categorizar una medida como una o como la otra, radica en el enfoque en el cual estas se implementan. Esto es, una medida realizada bajo un enfoque por etapas (es decir, evaluando gradualmente el efecto de una medida sobre un sistema como el ejemplo anterior relacionado al sistema de climatización) siempre se puede categorizar individualmente como una medida de retrofit estándar, no obstante, y de manera simultánea, esta medida puede formar parte de un retrofit profundo si es 15 implementada bajo un enfoque de diseño integrado. Las áreas a intervenir más usuales y con mejor potencial de generar ahora por retrofit son el sistema de iluminación, las cargas “plug and process” (que son cargas que no están relacionadas con iluminación, climatización, ventilación, calentamiento de agua y que típicamente no proveen de confort a los usuarios, estas cargas representan aproximadamente un 33% del consumo energético en edificios comerciales en Estados Unidos (McKenney, 2008)), la envolvente de los edificios, los componentes donde interviene aire y agua dentro de los sistema de climatización, el servicio de agua caliente (no aplicable en nuestro entorno) y la sustitución de transformadores eléctricos por uno de mejor eficiencia (U.S. Department of Energy, 2011). 2.3 Metodologías para Evaluar un Retrofit Un retrofit tal y como se definió anteriormente, es una modificación o adición de elementos estructurales, aplicaciones con consumos energéticos, entre otros. Cuyo objetivo principal es tener un impacto positivo en el desempeño y en la funcionalidad del edificio como un todo. Actualmente hay una buena cantidad de literatura y guías teóricas para evaluar el impacto de estas medidas, y poder cuantificar los efectos generados. Por su naturaleza, los retrofit implican la aplicación del conocimiento de varias disciplinas al momento de aplicarlo a un edificio, independientemente sea su naturaleza o fase de desarrollo en la que se encuentre, no obstante, a nivel nacional aunque no existan todavía estándares o reglamentos nacionales que involucren los retrofit, se propone el apoyo en dos estándares internacionales para aplicarle un retrofit a edificios existentes, los cuales son los requerimientos de la certificación LEED y el estándar de eficiencia energética ASHRAE 90.1 que aplica para edificios no residenciales con un máximo de cinco pisos. Se eligieron ambos por la estrecha relación que tiene El Salvador con el país de origen de dicha certificación y estándar, que son los Estados Unidos. 2.3.1 LEED LEED es una de las certificaciones de edificios más difundidas y ampliamente utilizadas en el campo de las edificaciones sostenibles a nivel mundial. Esta certificación contempla medidas para lograr la sostenibilidad en un amplio rango de áreas del desarrollo humano en el día a día, como el uso eficiente del agua, la conservación de la energía, el lograr un ambiente interior de calidad para propiciar una buena atmósfera en las áreas de trabajo, la movilización y el acceso humano óptimo, entre otras. También se incluyen aspectos más técnicos y que tienen que ver más con la construcción de las infraestructuras, como la 16 inclusión del diseño y la planificación integrativos, la reducción del uso de materiales nocivos para el medio ambiente y la innovación. Naturalmente, todos estos aspectos no podrían ser aplicados a todos los proyectos, por lo que existe una diversidad de certificaciones LEED a aplicarse según la naturaleza del diseño, entre las cuales destacan: a) Certificación LEED de diseño de edificio y construcción (LEED BD+C) b) Certificación LEED de diseño de interiores y construcción (LEED ID+C) c) Certificación LEED de operaciones y mantenimiento de edificios (LEED O+M) d) Certificación LEED de desarrollo de vecindarios (ND) e) Certificación LEED de hogares f) Certificación LEED de ciudades La certificación LEED O+M es la que se aplicaría en el caso de un edificio existente para evaluar su retrofit, dicha certificación indicaría si las medidas del retrofit se han aplicado bien y han impactado el consumo energético del edificio, reduciéndolo según el estándar ASHRAE 90.1. Si bien, existen varios tipos de certificación LEED a aplicarse según la naturaleza del proyecto, los objetivos que persigue esta certificación son comunes entre las diversas certificaciones (U.S. Green Building Council, 2003), entre los cuales se busca no solo incidir en un aspecto de la edificación, sino, en todos aquellos elementos críticos que son importantes para crear el mejor edificio posible que sea capaz de: ▪ Reducir la contribución de las edificaciones al cambio climático global ▪ Mejorar la salud humana a nivel individual ▪ Proteger y restaurar los recursos hídricos ▪ Proteger y ayudar a salvaguardar la biodiversidad y las funciones de los ecosistemas ▪ Promover ciclos de materiales sostenibles y regenerativos ▪ Mejorar la calidad de vida de la comunidad La certificación LEED es una acreditación que tiene diferentes niveles que dependerán de los puntos que obtenga la edificación a certificar de acuerdo a un sistema de puntos definido, que evalúan los distintos elementos críticos del edificio, como son la energía, la reducción de la huella de carbono, el uso eficiente de la energía y el agua, la disposición correcta y reducida de residuos, el uso de materiales sostenibles, entre otros (U.S. Green Building Council, 2003). 17 Los proyectos son sometidos a un proceso de verificación y revisión por la GBCI (Green Bussiness Certification Inc,, ) la compañía encargada de emitir las acreditaciones LEED), y de acuerdo al cumplimiento de los criterios del sistema de puntos, le son otorgados créditos. Estos créditos son sumados en la etapa final, y se asigna un nivel de certificación, los cuales son según la certificación LEED v4: a) Platino: proyectos que obtuvieron 80 puntos o más. b) Oro: proyectos que obtuvieron entre 60 y 79 puntos. c) Plata: proyectos que obtuvieron entre 50 y 59 puntos. d) Certificado: se otorga el simple estado de “Edificación certificada” al obtener al menos 40 puntos. Uno de los criterios a evaluar en la acreditación LEED de una edificación, en este caso, un edificio de oficinas, es el de “energía y atmósfera” (EA, en inglés). Estos criterios son una base importante sobre la cual analizar el cumplimiento mínimo de eficiencia energética de una edificación. Estos criterios de evaluación son el EAp2 y el EAc1, los cuales evalúan que la edificación cumpla con los requisitos mínimos de eficiencia energética y que este haya logrado un desempeño energético alto, más allá de los prerrequisitos estándar para reducir el impacto medioambiental y económico asociados a un uso extensivo de energía (USGBC, 2009). Un requisito indispensable para obtener un puntaje es realizar una simulación energética del edificio completo basándose en el estándar ASHRAE 90.1, por lo que la obtención de resultados favorables, y a su vez, créditos LEED es una buena metodología para evaluar un retrofit. 2.3.2 Estándar ASHRAE 90.1 Para el caso de la herramienta de software que se utilizará en este estudio, el software de Design Builder v7.0.2.006 permite evaluar para el caso de una certificación LEED, el desempeño energético de los edificios según el apéndice G de dicho estándar en sus versiones 2007, 2010, 2013 y 2016, según seleccione el usuario. Siendo las versiones más actuales más restrictivas que las anteriores , por lo que los criterios que contiene esta norma estarán incorporados en el análisis del software. Este estándar es un punto de referencia o benchamark para diversos códigos de energía en los Estados Unidos (USGBC, 2009). El contenido de este estándar se puede resumir de la siguiente manera, según la ASHRAE: “Este estándar provee los requerimientos mínimos para el diseño de la mayoría de infraestructuras y edificios, exceptuando edificios residenciales de hasta 3 pisos de altura. El estándar ofrece en detalle los requerimientos de eficiencia energética mínimos para el 18 diseño y construcción de lugares nuevos y existentes, edificios nuevos y existentes y modificaciones realizadas a estos y los sistemas que puedan existir en este conjunto, así como los criterios para determinar el cumplimiento de estos requerimientos mínimos. Es una referencia indispensable para ingenieros y otros profesionales involucrados en el diseño de espacios edificios y sistemas.” A su vez, el estándar ASHRAE 90.1 incluye entre sus apéndices, el apéndice G: “Método de calificación de desempeño”, el cual es una metodología diseñada específicamente para cuantificar el desempeño energético de edificios, modificaciones y adiciones a estos que excedan los requerimientos energéticos mínimos del estándar 90.1, es en este apéndice que se basa la certificación LEED para evaluar un edificio en su categoría de eficiencia energética. Este apéndice contiene las siguientes partes: • Generalidades: en esta sección se establece el alcance del apéndice, delimitando de manera conveniente los tipos de infraestructuras sobre los cuáles aplica el apéndice. Además, presenta un listado de todas las secciones del estándar de cumplimiento obligatorio, requisitos que se dan por sentado a estos niveles de eficiencia, pues son los requeridos solo para ser considerados como edificio eficiente. A su vez, contiene la fórmula utilizada por el método propuesto, sus excepciones de uso, un listado de toda la documentación a generar como parte de la metodología y requerimientos para dar por completado el proceso. • Requerimientos para Simulación: en esta sección se establecen las tres condiciones necesarias para considerar la comparación de la simulación entre el desempeño del edificio propuesto vs. el desempeño del edificio de la línea base como válida, siendo estas: a. Utilizar el mismo software de simulación. b. Utilizar los mismos datos de clima. c. Utilizar la misma tarifa energética. Posteriormente, se incluye un listado sugerido de softwares que contienen las características aceptadas para realizar un análisis de energía consumida en edificios, mencionando que los paquetes de software a utilizar deben contener metodologías de cálculo para los componentes de los edificios a simular. 19 En el apartado siguiente, el apéndice brinda una lista de parámetros de simulación necesarios a contener en la simulación, entre los cuales están: a) Poder simular 8,760 horas por año. b) Poder simular variaciones horarias con respecto a la ocupación del espacio, la potencia utilizada en iluminación, la potencia de los equipos misceláneos, el punto de configuración del termostato, el nivel de humedad en el espacio configurado, y la operación del sistema de aire acondicionado, todo esto siento definido de manera separada de forma diaria para cada día de la semana, incluyendo vacaciones. c) Poder simular el efecto de la masa térmica. d) Poder simular diez o más zonas térmicas. e) Poder simular el desempeño operando en un régimen de carga parcial para equipos mecánicos. f) Poder simular las curvas de corrección de capacidad y eficiencia para sistemas mecánicos de calentamiento y enfriamiento de equipos. g) Poder simular el economizador de aire con control integrado. h) Poder simular las características de la línea base del diseño del edificio especificadas en las secciones G3. En los dos siguientes apartados, se establece el requerimiento sobre la capacidad de generar reportes del software a utilizar, así como el tipo de reportes y alcance de estos. En la subsección siguiente, se definen directrices de simulación, como el cumplimiento de las simulaciones con la mayoría de las secciones del estándar ASHRAE 140, la concordancia entre las versiones del software a utilizar para la simulación de la línea base y del modelo optimizado, que el software de simulación pueda realizar simulaciones utilizando valores horarios de datos de clima, incluyendo temperatura, humedad, radiación solar y velocidad del viento, entre otros. Condiciones para la inclusión de los sistemas de generación de energías renovables en sitio, entre otros factores. Para finalizar, se establece que el costo energético del diseño y de la línea base debe estar determinado por las tarifas actuales o por tarifas publicadas por el departamento de energía de los Estados Unidos (condición que no aplica para el 20 estudio en cuestión, pues los precios de la energía al nivel de usuario final se establecen de manera independiente con respecto a los precios de Estados Unidos para El Salvador), y también se mencionan los métodos de simulación alternativos cuando alguno de los materiales a simular no se encuentre en la base de datos del modelo del software de simulación a utilizar. • Cálculos del diseño propuesto y de la línea base de desempeño del edificio: En esta sección del apéndice, se detallan las secciones del estándar ASHRAE 90.1 que se han de cumplir para realizar las simulaciones de desempeño propuesto y de línea base, así como las secciones necesarias a cumplir para edificios nuevos, adiciones y modificaciones. A su vez, se detallan los requisitos a cumplir para considerarse en la simulación de modificaciones, las cuales son las siguientes: a) Cuando existan modificaciones de sistemas de aire acondicionado que representen más del 50% de la capacidad de servicio, ya sea en cargas de calentamiento como en enfriamiento del área de modificación. Esto incluye sistemas de aire acondicionado unitarios, unidades terminales o componentes de un aire acondicionado central. Los equipos terminales de aire acondicionado considerados en el apéndice son: cajas VAV, unidades fan-coil, unidades VRF o bombas de calor de ciclo de agua. b) Cuando exista un cambio del 50% o más de las luminarias del área de la modificación. c) Cuando exista un cambio del 25% o más de la envolvente del edificio. En la subsección siguiente, se presentan en primer lugar todos aquellos detalles y pasos a considerar para la simulación del desempeño de los aires acondicionados, dependiendo del tipo del aire acondicionado y del tipo de espacio que climatizan, siendo el primero de estos, obtener la suma de las áreas climatizadas combinadas de los siguientes espacios: residencial, lugares públicos (auditorios, gimnasios, centros de convenciones, entre otros), espacios de almacenamiento únicamente con calefacción, áreas comerciales (supermercados, salas de ventas, entre otros), hospitales y otras áreas no-residenciales. 21 Posteriormente, se brindan directrices para la simulación en los siguientes aspectos en orden: a) Modelado para simulación. b) Adiciones y modificaciones. c) Clasificación del uso del espacio d) Horarios e) Envolvente del edificio f) Iluminación g) Bloques térmicos – zonas climatizadas diseñadas h) Bloques térmicos – zonas climatizadas sin diseñar i) Sistemas de aire acondicionado j) Sistemas de calentamiento de agua k) Total de carga conectada a tomacorrientes de uso general y otras cargas l) Limitaciones de modelación del programa de simulación m) Condiciones exteriores n) Transformadores de distribución (tipo seco – para interiores) o) Elevadores p) Generación de energía renovable en sitio 2.4 Sistemas Considerados al Realizar un Retrofit a un Edificio El retrofit en edificios implica la modernización y mejora de sistemas existentes para aumentar la eficiencia y sostenibilidad. Algunas áreas clave se detallan a continuación: 2.4.1 Iluminación y HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado): Iluminación: Sustitución de luminarias convencionales por tecnología LED para aumentar eficiencia energética. Implementación de sistemas de iluminación inteligente que se ajustan según las necesidades y la luz natural. HVAC: Actualización de sistemas HVAC con equipos más eficientes y controles de zonificación para mejorar la comodidad térmica y reducir el consumo energético. 2.4.2 Aislamiento y Ventanas: Instalación de aislamiento térmico adicional en las paredes y techos para reducir pérdidas de energía. Reemplazo de ventanas por modelos más eficientes energéticamente. 22 2.4.3 Tecnología de Edificios Inteligentes: Implementación de sistemas de gestión centralizados para controlar iluminación, HVAC y seguridad. Integración de sensores para ajustar automáticamente el entorno según las necesidades y condiciones. 2.4.4 Módulos Fotovoltaicos: Evaluación de la viabilidad solar y diseño personalizado de un sistema de paneles solares. Instalación de sistemas de montaje seguros en el techo o fachadas. Integración con sistemas eléctricos existentes. Adicional a las siguientes consideraciones: A. Evaluación de Viabilidad Solar: Realización de un análisis para determinar la cantidad de radiación solar disponible en la ubicación del edificio. Evaluación del potencial de generación de energía solar. B. Diseño Personalizado: Colaboración con expertos en energía solar para diseñar un sistema fotovoltaico que se adapte a la estructura del edificio. Selección de la ubicación óptima para los paneles. C. Sistemas de Montaje e Inversores: Instalación de sistemas de montaje seguros para fijar los paneles en el techo o en otras áreas. Selección e instalación de inversores solares para convertir la corriente continua en corriente alterna. D. Conexión a la Red o Almacenamiento de Energía: Decisión sobre si el sistema estará conectado a la red eléctrica o si se incorporará un sistema de almacenamiento de energía, como baterías, para utilizar la energía generada durante períodos sin sol. E. Integración con Sistemas Existentes: Asegurarse de que la instalación se integre de manera adecuada con los sistemas eléctricos existentes del edificio. Modificación de la infraestructura eléctrica según sea necesario. F. Permisos y Cumplimiento Normativo: Obtención de todos los permisos necesarios y cumplimiento con los requisitos normativos locales para la instalación de sistemas solares. 23 G. Educación (Capacitación) y Mantenimiento: Proporcionar educación a los ocupantes sobre el sistema solar y su contribución a la sostenibilidad. Establecimiento de un programa de mantenimiento regular para garantizar el rendimiento óptimo a lo largo del tiempo. La integración de estos aspectos en un proyecto integral de retrofit con módulos fotovoltaicos contribuye a la transformación de un edificio de oficinas existente en un espacio eficiente, sostenible y energéticamente independiente. 24 CAPÍTULO 3 – CASOS DE ESTUDIO En este capítulo, se resumen 5 casos de retrofit energético aplicados exitosamente a edificios del tipo oficina, si bien los edificios no comparten la zona climática con un edificio del AMSS, si comparten el tipo de edificio y su operación, ayudando a visualizar y evaluar el impacto de un retrofit energético en un edificio del tipo oficina. 3.1 Caso de Estudio: Retrofit Estándar a Oficinas de HRO, Wells Fargo Center, Denver Colorado. Figura 3: Wells Fargo Center, edificio que alberga la firma legal HRO en Denver, Colorado. (Fuente: Wikipedia, 2024) El Centro Wells Fargo es un rascacielos ubicado en Denver, Colorado, Estados Unidos, que cuenta con 50 pisos y una extensión superficial construida de 1.27 millones de pies cuadrados. En su momento, la firma legal HRO (que funcionaba como arrendatario de un inmueble) necesitó renovar el contrato de arrendamiento en el Centro de Oficinas Wells Fargo, el cual cuenta con 24,298 pies cuadrados. Según la guía avanzada de retrofit energético para edificios de tipo oficina, el facilitar incentivos a los arrendatarios (como fondos para mejoramiento de los locales) es una práctica recurrente para retener arrendatarios (U.S. Department of Energy, 2011). 25 La firma legal optó no solo por renovar la mueblería y la distribución del local, sino también por mejorar la eficiencia energética de la oficina, como una estrategia de mercado para atraer clientes y talentos por medio de su compromiso con la sostenibilidad. A raíz de esta estrategia, HRO se avocó al laboratorio nacional de energías renovables (NREL) para trabajar en el diseño e implementación del proyecto que consistía en identificar y llevar a cabo las medidas más rentables para reducir el consumo energético de las cargas conectadas a tomacorrientes, del sistema de iluminación y del sistema de climatización. Este proyecto logró la reducción en un 33% de la intensidad de uso energético, logrando un nivel 91 de EnergyStar con una intensidad de 36kBTU/pie cuadrado/año (U.S. Department of Energy, 2011). Entre las medidas más importantes que se implementaron, están las siguientes: ▪ Se instalaron variadores de frecuencia a las manejadoras del sistema de aire acondicionado. ▪ Se aumentó el ‘deadband’ (término en inglés para referirse al rango de temperatura en el cual el sistema está sin operar) del sistema de climatización de 1 °C a 3 °C. Es decir, el sistema estará más tiempo apagado hasta que deba encenderse para climatizar el espacio. ▪ Se redujo la densidad lumínica al separar las luminarias a una distancia de 16 pies entre sí, contra los 12 pies que existía de distancia anteriormente. ▪ Se instalaron luminarias de tipo fluorescentes compactas para sustituir las incandescentes existentes. ▪ Se instalaron sensores de ocupación (más sensibles que los sensores de movimiento) para el sistema de iluminación. ▪ Se instalaron computadores que cumplían con la certificación EnergyStar. Tabla 1: Resumen de Costos del Proyecto de Retrofit de HRO en el Wells Fargo Center. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011) Costo del Proyecto (Equipos e Instalación) Incentivos Financieros Costo Neto de la Mejora para Propietario $42,000 $5,000 $37,000 26 Tabla 2: Resumen de ahorros del proyecto de retrofit de HRO en el Wells Fargo Center. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). Ahorro de Consumo Eléctrico Anual Estimado Ahorro en Dólares Anual Estimado Periodo de Retorno de la Inversión Simple 129,000 kWh $12,000 3 años Tabla 3: Resumen de ahorros en concepto de energía del proyecto de retrofit de HRO en el Wells Fargo Center. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). Uso Eléctrico Estimado Intensidad de Uso Energético Estimada (EUI) Ahorro Total Estimado Antes Después Antes Después 33% 384,000 kWh/año 255,000 kWh/año 54 kBtu/ft2-año 36 kBtu/ft2-año Este tipo de proyectos son una muestra de que los esfuerzos para lograr la sostenibilidad deben ser multidisciplinarios, y contar con el apoyo de las altas gerencias para la consecución de los objetivos energéticos de la empresa. Si bien, en este caso de estudio se llevó a cabo el retrofit como producto de un incentivo financiero, los beneficios logrados debido al mejoramiento del rendimiento energético son bastante notables. Otra lección que se puede aprender del caso de estudio presentado, es que muchas veces las medidas de conservación energética pueden ser cosas más sencillas, como la modificación de la distancia de las luminarias entre sí, cosa que generalmente pasa por alto, al pensar únicamente en la sustitución de tecnologías obsoletas en primer lugar. Finalmente, el ahorro energético con todas las medidas de conservación de la energía fue del 33%, lo cual significa que consumen lograron reducir el consumo en una tercera parte con las medidas implementadas. 27 3.2 Caso de Estudio : Retrofit Profundo (Deep Retrofit) al Empire State, New York Figura 4: Edificio Empire State, Nueva York. (Fuente: Wikipedia, 2008). El edificio Empire State es uno de los edificios más icónicos de la ciudad de Nueva York, siendo una atracción turística muy solicitada hasta la actualidad. Hace cinco años, este edificio consumía tanta energía en un solo día como 40,000 casas, lo cual representaba un costo económico y medio ambiental insostenible (Clinton Foundation, 2014). En el 2009, se concertó un esfuerzo en conjunto para plantear y llevar a cabo un proyecto de retrofit al Empire State, cuyo objetivo fue aumentar la eficiencia energética del edificio, reducir el consumo de energía en un 40% y servir como ejemplo para otros proyectos de retrofit de edificios sin importar la antigüedad de las edificaciones (Clinton Foundation, 2014). En este proyecto, un enfoque clave fue la identificación de la secuencia correcta de medidas de conservación de energía (es decir, qué pasos a seguir y en qué orden). Se puede inferir que se optó primero por identificar e implementar estrategias de arquitectura pasiva, y luego considerar modificaciones sustanciales a equipos en las áreas de iluminación y climatización. Las tres consignas de estas medidas fueron: reducir cargas, instalar sistemas 28 eficientes e implementar un sistema de gestión y monitoreo de la energía (U.S. Department of Energy, 2011). Se crearon diversos paquetes de medidas, con su secuencia, en los cuales se detallaron los ahorros acumulados tanto en energía como en emisiones de carbono, hasta llegar finalmente a cuatro paquetes principales. Según el modelado energético del edificio en aquel entonces, se estimó que se lograría un ahorro del 38% en uso de energía, en relación a antes del retrofit, lo que tendría un retorno de la inversión de solo tres años (U.S. Department of Energy, 2011). Entre las medidas más importantes que se implementaron, están las siguientes: ▪ Mejoramiento de la eficiencia de las ventanas: todas las ventanas se fabricaron nuevamente en sitio, incluyendo la aplicación de una película en el interior y la generación de un espacio de gas aislante en la parte interior de la ventana. ▪ Se instalaron barreras aislantes para los radiadores: esto permitió desperdiciar menos calor. ▪ Se mejoró el sistema de iluminación: se incluyeron balastros dimerizables, fotoceldas y sensores de ocupación en los espacios. ▪ Se mejoró el sistema de climatización: se realizó un retrofit a cuatro chillers, la instalación de variadores de frecuencia para las unidades manejadoras, controles neumáticos, entre otras. ▪ Implementación de un sistema de gestión y monitoreo de la energía: se formuló un software especial para esta tarea. Tabla 4: Tabla Resumen de Costos del Proyecto de Retrofit Profundo en el Empire State. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). Costos del Proyecto Ahorro Anual Estimado en Dólares Total Costo de Obras Adicionales $4.4 millones $106 millones $13.2 millones Tabla 5 - Resumen de datos financieros del proyecto de retrofit profundo del Empire State. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). Periodo de Retorno Simple Valor Presente Neto Costo Total De Obra Adicional 24 años 3 años $4.4 millones 29 Tabla 6 - Tabla resumen de ahorro de energía del proyecto de retrofit profundo en el Empire State. (Fuente: U.S. Department of Energy, 2011). Intensidad de Uso de Energía Estimado (EUI) Porcentaje de Ahorro Estimado Antes del Retrofit Después del Retrofit 38% 88 kBtu/ft2-año 60 kBtu/ft2-año Figura 5: Película aislante instalada en las ventanas del Empire State. (Fuente: Empire State Realty Trust, 2024). Figura 6: Ilustración del proceso completo de fabricación de las ventanas del Empire State. (Fuente: Refrofitmagazine, 2024). Los pasos detallados a continuación, fueron los que se aplicaron a las ventanas según la CBC (Canadian Broadcasting Corporation): 1. La ventana es removida y desmantelada. 2. Cada panel es lavado tres veces. 30 3. Se instalan espaciadores a las ventanas. 4. Se le instala la película aislante a una de los dos vidrios de la ventana. 5. Se ensambla el segundo vidrio sobre los espaciadores, generando una sola unidad. 6. La unidad es horneada para ajustar la película aislante. 7. Se inyectan gases inertes en la unidad (Ar, Kr). 8. La unidad es reensamblada en el marco original y reinstalada. 3.3 Caso de Estudio: Retrofit Profundo (Deep Retrofit) al Leon County Cooperative Extension, Florida. Las oficinas del Área Cooperativa de Leon County, en Tallahassee, Florida, que para el año 2014 era la única oficina gubernamental de los Estados Unidos que contaba con la distinción de edificio NZEB habiendo superado un proceso de retrofit. (Retrofit Magazine, 2014). Esta oficina fue objeto de un proyecto de retrofit, y logró obtener la certificación de NZEB, la cual fue otorgada por el Instituto de Nuevas Edificaciones con sede en Vancouver, Washington, convirtiéndose en uno de los únicos siete edificios que fueron parte de proyectos de retrofit en Estados Unidos en alcanzar esta distinción. Este edificio de 13,500 pies cuadrados no solo produce tanta energía como la que consume, sino también cuenta con cisternas con una capacidad de 400,000 galones de agua lluvia que se capturan desde el techo, las cuales son utilizados en los sistemas de riego de la instalación (Retrofit Magazine, 2014). El retrofit fue implementado en dos pasos: 1. Implementación de un sistema novedoso de recolección y gestión de aguas lluvias. 2. Energía y aire acondicionado: se instaló un sistema de generación de energía solar fotovoltaica de 60kW para autoconsumo y un sistema ultra eficiente de climatización de lazos cerrados geotérmicos de 17 toneladas en las instalaciones de la oficina, este sistema de climatización fue uno de los pilares del retrofit, ya que permitió que se maximizara el impacto del sistema de generación de energía solar (Retrofit Magazine, 2014). El sistema de climatización geotérmico utilizado tiene una eficiencia de 40 SEER, y tiene una capacidad de calefacción y enfriamiento de 17.5 toneladas, equivalente a 210 kBtu. Una serie de 60 perforaciones en la tierra de 90 pies (27 metros), recirculan agua a través de tuberías de pequeños diámetros. En un primer momento, el sistema fotovoltaico estaba diseñado para alimentar aproximadamente el 40% de la carga del edificio, esto se complementó con la instalación del sistema geotérmico, con el mejoramiento del sistema de iluminación 31 y con programas de reeducación a las personas que utilizaban el edificio para erradicar hábitos que desperdician energía, por lo que, con estas mejoras, el sistema de generación fotovoltaico ahora provee tanta energía como el edificio necesita. Para este edificio, se instalaron un total de 253 paneles (orientados al sur) sobre una estructura fabricada sobre el parqueo, brindando sombra para los vehículos y adicionalmente, una estación de carga para vehículos eléctricos. Cada panel de los 253 cuenta con un micro inversor que permite monitoreo en tiempo real de la generación individual y cómo cambian sus comportamientos (Retrofit Magazine, 2014). Tabla 7 - Resumen de datos de proyecto. (Fuente: Retrofit Magazine, 2014). Tipo de Edificación: Extensión del área Construida: Zona Climática: Intensidad de Uso Energético: (de la Red) Intensidad de Uso Energético: (Autoconsumo) Intensidad de Uso Energético Neto: Oficinas 13,000 ft2 2A 19 kBtu/ft2-año 19 kBtu/ft2-año 0 kBtu/ft2-año Este proyecto resalta mucho la importancia de las fuentes alternativas de energía basada en energías renovables como la solar y la geotérmica, pues, para este caso, se utilizó la energía geotérmica la cual fue un potenciador de los efectos positivos del sistema solar implementado. Figura 7: Edificio Leon County Cooperative Extension. (Fuente: Retrofit Magazine, 2014). 32 3.4 Caso de Estudio: Retrofit Aplicado a Edificio de Oficina Anna Maria Historic Green Village, estado de Florida, Estados Unidos. De acuerdo al perfil de proyecto de Anna Maria Historic Green Village, del Instituto de Nuevas Edificaciones de Estados Unidos, este edificio centenario, el cual cuenta con una certificación LEED Platino, es una combinación inusual de restauraciones históricas y tecnologías modernas, conservando el estilo antiguo de edificaciones en Florida incorporando sistemas como calefacción geotérmica, sistemas de generación de energía solar fotovoltaica y equipos de monitoreo (New Buildings Institute, 2012). Las medidas de conservación de la energía adoptadas giran en torno a tres áreas principales: la envolvente aislante del edificio, tecnología geotérmica y la generación fotovoltaica. A pesar de ello, todas las medidas implementadas según el Instituto de Nuevas Edificaciones de Estados Unidos son las siguientes: ▪ Envolvente de alto desempeño: el aislamiento es uno de los principales aspectos de la edificación, donde cada una de las áreas está aislada por encima de los requerimientos normados y tiene ventanas de alto rendimiento. ▪ Tecnología geotérmica: los sistemas de aire acondicionado y la calefacción operan basado en un sistema de bombeo de calor. El agua es bombeada a 450 pies (137 metros) bajo tierra hasta un manto acuífero donde el agua se encuentra a una temperatura constante de 72 °C. En verano, el intercambiador de calor recupera calor de nueve unidades de aire acondicionado del distrito y se inyecta al reservorio subterráneo, ya que es más eficiente que liberarlo en el aire húmedo de la zona. ▪ Tecnología solar térmica: el agua para uso del edificio es calentada a través energía solar. ▪ Energía fotovoltaica: el edificio en cuestión cuenta con 17 inversores en arreglos que hacen un total de 90 kW, lo que significa un ahorro anual de $11,200.00. Aproximadamente, 30 kW de los paneles solares están instalados sobre dos parqueos, mientras que los otros paneles solares están instalados en estructuras y se planea que se agregarán más unidades con el tiempo. El objetivo de estos nuevos paneles es mantener el estado de NZEB, debido a los planes de inclusión de nuevos negocios en el edificio. 33 ▪ Monitoreo y verificación: hay sensores conectados en red que están monitoreando constantemente acometidas principales y varios circuitos. Estos datos revelaron que las cargas principales en este edificio eran el sistema de climatización y las cargas instaladas en el café (freezers, refrigeradores, y la máquina de expreso). ▪ Utilización de aguas lluvias: se instalaron dos cisternas de 3000 galones cada una, debajo de los parqueos. El agua de una de las cisternas es utilizada para regar jardines y el agua de la segunda es reservada para protección contra incendios. El agua de lluvia que se recolecta directamente de los techos se almacena en una cisterna separada, utilizada para los retretes. Tabla 8 - Resumen de datos del proyecto Anna Maria Historic Green Village. (Fuente: New Buildings Institute, 2012) Número de Espacios del Edificio: Extensión del Área Construida: Zona Climática: Intensidad de Uso Energético: (de la Red) Intensidad de Uso Energético: (Generación para Autoconsumo) Intensidad de Uso Energético Neto: 5 8,000 ft2 2A 28 kBtu/ft2-año 35 kBtu/ft2-año -7 kBtu/ft2-año De este caso de estudio, se puede retomar la importancia y el impacto que los sistemas de climatización tienen en el consumo energético de las edificaciones en zonas climáticas de tipo tropical. Se puede destacar también la inclusión de un sistema de calentamiento de agua a partir de energía solar térmica, sustituyendo los calentadores de agua tradicionales, cuyo consumo energético tiende a ser elevado. 34 Figura 8: Vista aérea del Anna Maria Historic Green Village. (Fuente: New Buildings Institute, 2012). 3.5 Caso de Estudio: Retrofit a Edificio de oficinas en el Estado de Hidalgo, México. Figura 9: Edificio objeto del caso de estudio. (Fuente: plataformaptec.es) El caso de estudio se centra en un edificio de oficinas de 5 plantas, con un total de 4665 m2 construidos, ubicado en la ciudad de Pachuca, Estado de Hidalgo, México, a 2400 msnm. Este edificio fue construido a principios del s. XXI y el proyecto no tuvo especiales consideraciones a la eficiencia energética. Su envolvente es principalmente acristalada y las ventanas son no operables. 35 3.5.1 Estrategia de optimización: Pirámide de Prioridades Mediante simulación energética se realizan sucesivas transformaciones en su envolvente y sistemas con el fin de convertirlo en un edificio energéticamente eficiente y autosuficiente. Este proceso se explica mediante la pirámide de la Figura 10. La base de la pirámide es la reducción de la demanda energética. El objetivo es maximizar las opciones de funcionamiento pasivo del edificio, reduciendo el uso de sistemas mecánicos de climatización y el encendido de luz artificial durante las horas diurnas. Podríamos definir funcionamiento pasivo como aquel mediante el cual el edificio proporciona confort natural, térmico y lumínico, a sus ocupantes sin un consumo adicional de energía. Figura 10: Pirámide de prioridades en el proceso de optimización. (Fuente: construible.es, 2024) El segundo paso es la reducción del consumo energético, que se basa en la eficiencia de los sistemas instalados, su operación y los sistemas de control. Por último, se lleva a cabo la implementación de sistemas de generación de energía renovable. Este último paso no suele ser económicamente viable si antes no se ha optimizado el edificio y su operación. 3.5.2 Pasos para Mejorar el Balance Energético El balance energético obtenido mediante simulación por ordenador permite detectar las estrategias a implementar para reducir la demanda energética, como se muestra en la Figura 11. Tras la implementación de mejoras se genera un nuevo modelo optimizado, que muestra los resultados de la simulación para el edificio funcionando en modo pasivo. Con el consumo energético reducido al mínimo, se dimensiona el sistema fotovoltaico a instalar, que sea capaz de satisfacer toda la demanda, procurando mantener un balance de las variables mostradas en la Figura 12. 36 Figura 11: Diagnóstico y Medidas a Implementar para la Mejora del Balance Energético.(Fuente: construible.es, 2024) Figura 12: Matriz de Variables Afectadas por el Agrado de Transparencia de los Vidrios Fotovoltaicos. (Fuente: construible.es, 2024) 37 Tabla 9 - Análisis de variables afectadas por el grado de transparencia de los vidrios fotovoltaicos. (Fuente: construible.es, 2024) La Tabla 9 muestra que el porcentaje de transparencia óptimo de los vidrios fotovoltaicos es 30%, ya que se logra el balance óptimo entre la cantidad de energía que se genera (61 MWh anuales) y la reducción del consumo de energía para iluminación por el aprovechamiento de la luz natural mediante controles lumínicos automatizados. Con un grado de transparencia menor, la generación energética es más alta pero no logra compensar el incremento de consumo de energía para iluminación debido a una menor entrada de luz natural. Por el contrario, si se selecciona un panel FV opaco para la doble piel del atrio, a pesar de que se van a generar más megavatioshora anuales, se incrementa la demanda de energía para iluminación, y la generación no llega a compensar el aumento del consumo. 3.5.3 Resultados Obtenidos El consumo energético experimenta una reducción considerable gracias a la implementación de un sistema de automatización lumínico enfocado en aprovechar la luz natural y el resto de medidas mencionadas en la Figura 13 , que posibilitan que el edificio funcione en modo pasivo en cuanto a climatización. La integración de renovables se realiza en 3 fases: integración a modo de sistema BIPV en la doble piel del atrio acristalado, como se muestra en la Figura 14, una matriz fotovoltaica en cubierta y una matriz de parasoles en los huecos de las ventanas orientadas al sureste. 38 Figura 13: Gráficas de mejora progresiva en el balance energético. (Fuente: construible.es, 2024) Los parasoles fotovoltaicos de la fachada sureste producen una doble mejora, ya que aparte de completar la generación energética necesaria para cubrir el 100% de las necesidades, limitan las ganancias solares por huecos acristalados, reduciendo aún más la demanda de energía mecánica para climatización y mejorando la sensación térmica al interior del edificio. Figura 14: Imagen del edificio con las superficies fotovoltaicas integradas. (Fuente: construible.es, 2024) La Figura 15 muestra la reducción progresiva del consumo de energía anual, que inicialmente era de 453 MWh/año y se logra bajar a 260 MWh/año, lo cual es una reducción del 43%. Con la integración de sistemas FV se logran generar 281 MWh/año, excediendo el consumo anual. Las emisiones de carbono asociadas se reducen paralelamente, de 275 toneladas anuales a un balance de -13 toneladas emitidas al año, es decir, que se logra un 39 edificio de balance positivo en cuanto a neutralización de su huella de carbono. Este tipo de edificios van más allá de una reducción de los impactos negativos, teniendo un impacto positivo en su entorno, al inyectar a la red el excedente de energía que generan, a lo que habría que añadir los beneficios económicos en cuanto ahorro anual en costos de operación. Figura 15: Gráficas de consumo y generación de energía y de emisiones a lo largo del proceso de optimización. (Fuente: construible.es, 2024) En este edificio el consumo principal de energía era la iluminación (Figura 16), debido a que no estaba optimizado el sistema para un aprovechamiento de la luz natural. Por eso se han enfocado esfuerzos en el sistema de control de la iluminación. En otros edificios con consumos elevados en climatización, las estrategias a proponer serían de otra naturaleza. 40 La Figura 17 muestra la reducción progresiva en la energía de origen, que es la generada en la central, suministrada por la compañía eléctrica, hasta alcanzar un valor negativo, que significa que se está generando más energía de la que se requiere para la operación anual del edificio. Figura 16: Gráficas de consumo energético por usos. (Fuente: construible.es, 2024) Figura 17: Gráfica de consumo energético en el edificio y en el origen. (Fuente: construible.es, 2024) De esta forma se puede afirmar que el edificio se convierte en una central eléctrica, que inyecta a la red más energía de la que extrae. Esta práctica es fundamental para lograr una efectiva descentralización de la generación eléctrica, y con ello hacer posible que cada vez haya un porcentaje más alto de energía generada con fuentes renovables, además de hacer un uso más racional de la energía, porque se eliminan las pérdidas por transporte en redes 41 de alta y media tensión y en cada proceso de transformación, disminuyendo su huella de carbono como se muestra en la Figura 18. Figura 18: Gráfica de emisiones de carbono. (Fuente: construcción.es, 2024) 3.5.4 Conclusiones del Caso de Estudio En el campo de la rehabilitación de edificios con criterios de eficiencia energética, las decisiones deberían de tomarse basadas en un análisis integral, con herramientas avanzadas como la simulación energética, y considerando los distintos parámetros que inciden en el balance energético. Se ha visto, por ejemplo, cómo un sistema de automatización de la iluminación puede originar grandes reducciones en el consumo anual de energía, así como las estrategias bioclimáticas aplicadas sobre la envolvente del edificio y algunas mejoras en su operación, siempre teniendo en cuenta las condiciones climáticas locales. Un enfoque más completo, considera todos los componentes y subcomponentes de una edificación, para adoptar las mejores medidas de conservación de energía para procurar un ahorro energético más alto, sin perder de vista otros aspectos importantes como el confort térmico o la funcionalidad de la instalación. De los casos de estudio analizados, se puede retomar que no siempre las medidas de conservación de energía tradicionales (como la sustitución de energías obsoletas por unas más eficientes) van a ser las más efectivas, sino más bien, las mejoras han de provenir de estudios y simulaciones tomando en cuenta las características propias de cada instalación, así como de la zona climática en la que opera. Esto es, en zonas climáticas con temperaturas más altas, se tendrá un mayor impacto en la reducción de consumo eléctrico, al actuar y mejorar sobre el sistema de climatización, por ejemplo, no así en zonas de climas más templados, pudiendo lograr así reducciones de consumo energético del 30% o más, según los casos de estudio analizados. 42 CAPÍTULO 4 – CARACTERIZACIÓN DE UN MODELO DE EDIFICIO DE TIPO OFICINA REPRESENTATIVO LOCALMENTE Este capítulo se centra en la presentación de los pasos realizados para obtener un modelo de edificio del tipo oficina aplicable al contexto nacional, con el objetivo de establecer una línea base y posteriormente, un modelado exploratorio del impacto de las medidas realizadas adentro de la metodología de retrofit energético propuesta. 4.1 Metodología En El Salvador, actualmente no existe un censo que caracterice a los edificios nacionales, los datos actuales que se tienen son del último censo nacional realizado en el 2007 en el que se detallan de manera descriptiva los materiales utilizados en la construcción de las viviendas censadas. A pesar de ello, se sabe que históricamente en El Salvador hay una centralización de la industria y el desarrollo en su capital, San Salvador, siendo esta zona, específicamente el Área Metropolitana de San Salvador de especial interés para el momento en el que se tengan incentivos nacionales que propicien la realización de retrofits energéticos a los edificios del país, siendo esta medida necesaria para la realización de proyectos de este tipo (Ochoa et al, 2021). Según la investigación previa realizada para este trabajo, tampoco se encontró bibliografía que especificara a nivel nacional, hábitos de los usuarios o perfiles energéticos de los usos de energía de los edificios a nivel nacional, siendo estos datos junto con la descripción de los materiales y forma del edificio esenciales para poder realizar una simulación energética de línea base (González et al, 2023). Ante la falta de datos nacionales sobre la caracterización de edificios del tipo oficina a nivel constructivo o de demanda energética y también la falta de un instrumento nacional validado para recolectar la información necesaria para este trabajo, se procedió a adaptar una encuesta de una entidad internacional previamente utilizada, de tal forma que se tuviera certeza que se estaba utilizando un instrumento validado para la caracterización de edificios del tipo oficina. El instrumento elegido como base para recopilar los datos para este trabajo fue la encuesta titulada “Commercial Buildings Energy Consumption Survey” (abreviada como CBESC) dicho instrumento que fue desarrollado por la U.S. Energy Information Administration en el año 2018, con el objetivo de caracterizar a los edificios según su tipo, a nivel constructivo, de comportamiento y usos finales de la energía utilizada en los edificios (File, M., 2015). La encuesta, fue modificada para adaptarla al contexto nacional, dado que originalmente recopila información que no está en el contexto nacional de El Salvador, como el uso de 43 calefacción o el uso de agua caliente de uso doméstico (Domestic Heat Water, DHW), uso de sistemas de distribución de gas propano o el uso de leña en el interior de los edificios como medio de calefacción. Como se detalla en las siguientes subsecciones, el instrumento CBESC resultó ser de especial ayuda para caracterizar edificios a nivel cualitativo, permitiendo conocer los diferentes tipos de combustible o fuentes de energía de un edificio, así como sus características constructivas, la cantidad de pisos, el área total ocupada del edificio, el porcentaje de área de las ventanas respecto a la pared o las áreas que componen cada piso, así como sus patrones de uso. El instrumento CBECS permite, a nivel energético conocer únicamente el consumo total por año de cada tipo de combustible de los edificios encuestados anualmente únicamente, como se puede ver en el informe “2018 Commercial Buildings Energy Consumption Survey - Consumption and Expenditures Highlights” publicado por la U.S. Energy Information Administration en Diciembre del 2022. Para poder modelar energéticamente un edificio en un software de simulación, como Design Builder versión 7.0.2.006 que fue el utilizado en este trabajo, es necesario conocer otros aspectos adicionales a lo que plantea el instrumento CBECS, de tal forma que se conozcan de manera cuantitativa otros aspectos del edificio que son de interés para su modelado energético. Basándose en la investigación de Al Saadi, S. y Al Jabri, K. (2020), así como las variables necesarias para simular en Design Builder se elaboró la Figura 19 , en la cual se detallan las variables de entrada básicas necesarias para una simulación energética de un edificio del tipo oficina. 44 Figura 19: Características Físicas y Térmicas de un Edificio (Fuente: Elaboración Propia) Los aspectos cuantitativos que no fue posible obtener mediante el instrumento CBECS referentes a la infiltración de aire, detalles del sistema de aire acondicionado y ganancias de calor internas, que corresponden propiamente a la operación de un edificio, fueron modelados utilizando como referencia los valores de un análisis energético realizado a un edificio de oficina de 3 pisos modelado por la empresa mexicana SolArq para la ciudad de Chihuahua, México (Ordoñez, A., 2023). Se utilizó este edificio como referencia por compartir los hábitos de la región de uso típicos, dado que no hay una referencia de datos nacionales y el modelo de trabajo en México se asemeja al de El Salvador en cuanto a la cultura y hábitos de trabajo. De igual manera posteriormente se utilizaron estándares de eficiencia internacionales para modificar estos valores como parte del retrofit energético. 45 Figura 20: Origen de los Valores Utilizados en el Análisis Energético del Modelo Base (Fuente: Elaboración Propia) 4.1.1 Objetivos de la Encuesta Recopilar la información necesaria para el modelado energético de un edificio del tipo oficina en el AMSS según las condiciones y contexto locales, así como describir de forma cualitativa al edificio de tipo oficina que servirá como modelo base de este análisis energético. 4.1.2 Población Destinataria El grupo de interés se puede definir como sigue: todo aquel profesional de la construcción en sus distintas áreas (ingenierías y arquitectura), que cuente con experiencia en diseño, construcción o mantenimiento de edificios de tipo oficina en el AMSS. En este estudio, el tamaño de la muestra fue de 38 profesionales locales, que contaban con amplia experiencia en las áreas mencionadas, habiendo participado en diversos proyectos de construcción o remodelación de edificios en el AMSS. Se eligieron a los 38 pr