Comunicación presentada al III Congreso Edificios Inteligentes:
Autores
- Francisco Valbuena, Arquitecto Director, Unidad Técnica de Arquitectura, Universidad de Valladolid (Uva)
- María Jesús González, Arquitecta, Torre de Comares Arquitectos
- Borja Román, Ingeniero Industrial, Vega Ingeniería
Resumen
El Proyecto (y actual construcción) del edificio es un avance en la forma de abordar programas de edificios no residenciales concebidos como de energía casi nula, pero simultáneamente con alta carga interna, y muy especialmente en los que la demanda es variable y discontinua. En este caso, diseño arquitectónico e integración de domótica en el edificio surgen de forma natural como respuesta a sus características singulares, a cuyas exigencias de habitabilidad y confort habituales se suma la necesidad de afrontar patrones de uso que son de gestión difícil (horario discontinuo y ocupación variable entre 100 a 2.523 alumnos) y a los que los sistemas energéticos deben ajustarse con el fin de ser eficientes en sus diferentes grados de funcionamiento.
Introducción: edificio de energía casi nula y sistemas pasivos
La construcción del Aulario para la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid presenta una casuística extraordinaria desde varios puntos de vista: recupera un espacio arraigado en la cultura universitaria del lugar, está siendo construido como edificio de energía casi nula, y aunque es de nueva construcción, está conectado y participa de un campus en rehabilitación sostenible, por lo que será certificado externamente mediante la certificación LEED y VERDE GBCe.
Consta de seis plantas y un pequeño sótano para instalaciones técnicas, con una superficie construida total de 5.845 m2. (Fig.1) En cada planta existen tres aulas de 96 alumnos, un aula para 60 alumnos y dos aulas para 40 alumnos: en total 428 alumnos por planta. Se integra en los tres ámbitos tradicionalmente relacionados con la sostenibilidad, añadiéndole el cultural. Específicamente, estos entornos son el cultural (recuperación de tradiciones y sugerencias ya históricas); social (el reto de garantizar un elevado confort del usuario desde múltiples puntos de vista: termo- higrométrico, visual, acústico y educativo); medioambiental (análisis exhaustivo de la biodiversidad de la parcela, excepcionalmente rica si consideramos que está en el centro de la ciudad, y construcción sostenible); y económica (mantenimiento de lo existente y gestión ahorradora para el futuro con sistemas eficientes).
En lo que respecta al diseño pasivo, el edificio incluye: un diseño compacto con volumetría simple; fuerte aislamiento y eliminación de puentes térmicos; Cubierta verde y pavimentos filtrantes para evitar el efecto isla de calor; Optimización de la luz natural; Control de soleamiento mediante la tamización que produce la pantalla filtrante. Y en lo que respecta al empleo de energías renovables, el edificio integra fuentes de 3 tipologías distintas: calefacción de distrito mediante biomasa de la propia Universidad de Valladolid; paneles fotovoltaicos en fachada para producción de energía eléctrica; y pozos geotérmicos para ventilación en apoyo al sistema de ventilación.
Además de estas estrategias, el edificio comprende soluciones innovadoras en sistemas pasivos que complementan a los convencionales, como son el incremento de iluminación natural por fibra óptica y materiales de cambio de fase en situaciones puntuales. Reto que es mayor considerando el aspecto social de garantía de confort indicado anteriormente.
Sistemas activos considerados
Requisitos
El uso característico el edificio es el uso docente (se impartirán en el edificio los grados y másteres en ingenierías industriales), y por tanto debe adaptarse a un calendario universitario, un horario intermitente e irregular y una ocupación variable. En las aulas existen por una parte cargas y consumos energéticos muy poco variables a lo largo del día, como son la iluminación, equipos de proyección, pizarras digitales, etc.; y por otra parte cargas con enorme variabilidad como las asociadas a la ocupación, tanto debido a los horarios como al número de alumnos. La ocupación se mantiene constante por lo general por tramos de una hora, con grandes variaciones, desde ocupación entre el 10 y el 60% con posibilidad de picos del 80% de ocupación máxima. No se prevé que exista nunca un 100% de ocupación del edificio.
El caso de los distribuidores o pasillos es distinto al de las aulas. Los picos de ocupación entre clases son elevados (equivalentes a la ocupación completa del conjunto de todas las aulas), pero con duraciones muy reducidas en el tiempo. La normativa española en el caso de áreas de paso y ocupación temporal plantea una ventilación permanente y continuada en el tiempo, sin variación con respecto a la ocupación, de forma que las cargas de ventilación son continuadas en el tiempo, si bien existen picos de demanda de refrigeración en los cambios de clase.
Esta enorme variación de la ocupación, unida a las pequeñas cargas térmicas asociadas a los equipos y a la iluminación de la propia sala, se traducen habitualmente en bajas demandas de calor (que suelen llegar a anularse incluso en invierno) y en cambios continuos de las necesidades de ventilación. Hay que considerar las cargas internas generadas por el uso de los propios equipos del aula, el calor que generan las personas (se puede estimar aproximadamente que cada persona es equivalente a un elemento de radiador a plena potencia) y el generado por los equipos informáticos que portan los alumnos cada vez con más frecuencia.
Ventilación
En los edificios de alta eficiencia habitualmente la mayor parte de las cargas de calefacción provienen de la ventilación, y en el caso del edificio IndUVA cobra más importancia, al haber una ocupación máxima en las estancias del edificio muy elevada, de las cifras anteriormente señaladas. El control de ventilación, por tanto, se convierte en la principal estrategia de diseño activo para reducir la necesidad de energía y mejorar el malestar por exceso de ventilación. Para garantizar un ambiente saludable en el interior manteniendo los objetivos de ahorro energético, se han instalado sistemas de control de demanda de ventilación mediante sondas de CO2 y de temperatura.
La instalación de sondas de CO2 en el retorno de la unidad permite la reducción de la ventilación, pero al no discriminar por estancias, no garantizan una adecuada ventilación en cada espacio. Se necesitan, por tanto, sondas de CO2 en cada estancia de alta ocupación del edificio, esto es, en todas las aulas, situadas en la parte más viciada de aire de la estancia (cerca de los retornos) a una altura aproximada de 1,5 metros. El funcionamiento de cada sonda irá vinculado a dos cajas de volumen de aire variable para el control de ventilación que funcionarán de forma automática en función de la demanda de aire fresco, manteniendo en todo caso un mínimo de apertura.
Para las estancias con necesidades de ventilación constantes, no dependientes de la ocupación, se opta por instalar cajas de control de caudal de aire constante, que garantizan el caudal de ventilación independientemente del funcionamiento del resto del sistema. Para regular el caudal de ventilación, el climatizador de aire primario regulará por presión diferencial constante, de forma que se regula en todo momento el aporte de aire exterior en función de la suma de demandas de cada una de las cajas del edificio. Todos los ventiladores son de caudal variable de rotor síncrono con variador de frecuencia incorporado.
Finalmente, con el fin de optimizar la captación de aire exterior, el sistema de control gestionará de forma automatizada siempre de la forma más ventajosa para el sistema:
- La captación proveniente de los pozos canadienses total o parcial
- La toma directa del aire del exterior
- El uso de la recuperación de calor mediante recuperadores de sorción
- El uso de la humectación adiabática en retorno
- Los sistemas de free cooling
Climatización
Acorde con la necesidad específica de cada tipología estancia, se instalarán los siguientes subsistemas de climatización:
- Inducción a 4 tubos en las aulas, que permiten el aporte de frio y calor en el interior de las estancias independientemente de la época del año, considerando la necesidad de refrigeración prácticamente durante todas las épocas del año. El caudal de aire mínimo de ventilación necesario para dichas estancias es suficiente para garantizar el aporte de calefacción necesario para las mismas.
- Fancoil a 4 tubos en los pasillos y distribuidores. En el caso de los pasillos y distribuidores las cargas de calefacción y refrigeración no dependen principalmente de la ventilación, sino de la variación directa de ocupación, por lo que es necesario recircular aire de la propia estancia mediante fancoils a 4 tubos con ventiladores de alta eficiencia.
Se permite de esta forma un tratamiento diferenciado para cada aula del edificio, lo que mejora notablemente el confort de los ocupantes. Además de ello, elimina la necesidad de ventiladores en el interior de las aulas para enfriar, ya que los caudales de ventilación permiten calefactar o enfriar la estancia sin necesidad de recirculación de aire dentro de la propia estancia.
Iluminación
En espacios de uso educativo es prioritario proporcionar una iluminación adecuada a las diversas necesidades que pueden surgir en las estancias (Proyección con pantallas, iluminación de trabajo o examen, uso de pizarras de diversas tipologías, etc.).
Para ello, se ha implantado en proyecto un sistema de iluminación de alta eficiencia mediante tecnología LED con control DALI o 1-10 V, y permitiendo el diseño de escenas de iluminación configuradas previamente, adecuadas para las situaciones más típicas de uso: Iluminación de proyección de pizarras, Iluminación general de estancia en falso techo e Iluminación perimetral para apoyo a la proyección (luz de ambiente).
Además, para evitar la habitual situación de luz encendida en estancias vacías de forma automatizada, se han previsto detectores de presencia en las estancias que apagan de forma gradual la iluminación cuando no se detecta la presencia de personas en un tiempo consignable. Se permite de esta forma controlar el deslumbramiento, generar uniformidad en la iluminación mediante el control del aporte de iluminación en función de la luz solar disponible, y reducir el consumo energético notablemente.
Existirán dos tipos de control de la iluminación, uno de iluminación regulable (DALI) y otra zona con luminarias ON/OFF que se controlarán por corte de alimentación mediante unos contactos libres de potencial comandados por el sistema de iluminación. El control del encendido y apagado del edificio será mediante el control horario establecido por la dirección universitaria, en coordinación con el horario lectivo.
Permitirá crear escenas de iluminación a un nivel determinado, por ejemplo, para realizar las labores de limpieza y en caso de que fuera necesario se puede asignar un alumbrado de seguridad que permanecerá permanentemente encendido al nivel determinado. El control general incluye un registro de consumos y de errores en las luminarias (equipos que no responden, fallo de lámparas si lo hubiese, etc.).
Sistemas de control: integración en BMS
Para conseguir la armonización de todos estos sistemas energéticos con los propios de cualquier edificio relacionados con el control de accesos, la seguridad, la monitorización y tele gestión, etc., se dispondrá de un sistema de Gestión de Edificio en integración en BMS que integrará los subsistemas de control de la climatización, control de la iluminación, central de alarmas, control de accesos, base de datos, etc., mediante los correspondientes protocolos que operan en las distintas áreas de gestión como iluminación (DALI), climatización (BACNet), etc., junto con los de desarrollo propios de la Universidad como el control de accesos, los sistemas anti intrusión o la video vigilancia, mediante la programación e instrucciones de manejo controladas por la UVa desde su puesto de mando.
Todo el sistema integrado ha sido diseñado específicamente para:
- Proporcionar en todo momento un confort termo-higrométrico y visual para los ocupantes que supera el confort exigido por la normativa.
- Permitir ajustar la producción de energía del edificio y el uso de los sistemas de iluminación exactamente a las necesidades de cada momento minimizando el desperdicio de energía.
Las principales características de los sistemas instalados y que incorpora el BMS son:
- Ventilación de caudal variable de rotor síncrono con variador de frecuencia incorporado. Todos los ventiladores instalados, incluyendo los de los fancoils de los distribuidores y los propios de los climatizadores, son de la máxima eficiencia disponible en el mercado y trabajan variando el caudal de ventilación en cada momento.
- Recuperación de energía, de alta eficiencia, mediante recuperadores rotativos de sorción de eficiencia superior al 68% y variador de velocidad integrado en el propio recuperador.
- Humectación adiabática en el retorno de los climatizadores, reduciendo el consumo energético en refrigeración y recuperando humedad del aire expulsado mediante el recuperador de sorción, eliminando completamente la necesidad de lanzas de humectación, de gran consumo en climas secos.
- Free cooling integral en el sistema de climatización del edificio. Debido a la presencia de sistemas de climatización en cada una de las estancias, es posible eliminar casi completamente el aporte de calor en las baterías de calefacción del climatizador y proporcionar aire “frio” a temperaturas entre 14º C y 18º C a las estancias sin el uso de los sistemas de refrigeración (Free cooling).
- Iluminación de elevada eficiencia energética, con tecnología LED, y control de iluminación que reduce el consumo de energía de forma proporcional a la iluminación natural. La iluminación, de uso continuo durante todas las horas del día, depende del aporte de luz natural a la estancia.
Resumen y resultado de consumos
Con estas premisas de los sistemas activos, los resultados del análisis pormenorizado de consumos de energía de los diversos sistemas mencionados anteriormente, calculados mediante el modelo de Energyplus Versión 8.5.0 incluyendo electricidad, HVAC y otros, son los siguientes (Figura 2):
La simulación energética del edificio, en su fase de proyecto, estima una demanda energética total de 75.8 kWh/m2/año en energía final, y de 148 kWh/ m2/año de energía primaria: (Figura 3):
Finalmente, el sistema que se instalará para la regulación térmica será del tipo CDD (marca HONEYWELL-SEDICAL, SIEMENS o equivalente) para el control de una enfriadora, una torre de refrigeración, un circuito de frío, un circuito de calor, 48 UTAS, sondas de calidad ambiente y temperatura, válvulas de 2 vías proporcionales, de 3 vías para recuperación de calor, temperatura y humedad de un climatizador de aire primario, contadores de energía térmica, analizadores de redes y contadores de agua fría.
Regulación mediante CENTRAWEBPLUS para la integración de una enfriadora agua-agua con torre, contadores de energía, control de un climatizador con recuperador, aulas y zonas comunes con Tª y CO2 ambiente mediante UTAS con baterías 0-10 y compuertas de regulación.
Debido a su importancia, se realizará un control digital (marca Honeywell-Sedical o equivalente), de todos los parámetros climáticos (producción y consumo) del edificio, planteando un sistema preparado para la salida mediante gráficos y tablas que permitan comprobar el grado de ajuste de las instalaciones proyectadas a los consumos estimados.
Conclusiones
En el edificio IndUVa se ha procurado realizar un diseño muy consciente de las circunstancias del lugar (cultural, medioambiental, técnico, económico y social) y con el objetivo de consumo de energía casi nulo, describiéndose todas sus estrategias para lograrlo, incluida entre ellas su sistema integral de control.
El Proyecto muestra que el reto mayor en este tipo de edificios (de uso terciario, educativo, y en este mismo caso están las oficinas, centros comerciales, etc.) reside en la ventilación y refrigeración. El compromiso con la eficiencia energética requiere ampliar las soluciones convencionales y la innovación en sistemas de control de edificios, sistemas pasivos y utilización de energías renovables, de forma que se comprometa tanto a la tecnología como a la normativa, los profesionales y a los usuarios en su implementación.
En el Caso del Aulario IndUVA, la integración domótica del edificio surge de forma natural como respuesta a las necesidades que plantea un edificio de sus características, con patrones de uso que son de gestión difícil, por lo que supone un avance en la forma de abordar los programas de edificios concebidos como de energía casi nula, pero simultáneamente con alta carga interna, y muy especialmente en los que la demanda es variable y discontinua. Teniendo en cuenta el resultado de la demanda energética del edificio, de acuerdo con la simulación, la estrategia ha sido bien planeada.