Todo proyecto amerita una evaluación económica la cual debe tomar en cuenta la inversión inicial (fase de diseño y construcción) así como los costos operativos y de mantenimiento (energía, agua, etc). Dicha evaluación económica debe ser una de las actividades a desarrollar por los profesionales involucrados en la fase de diseño.

Para desarrollar una correcta evaluación económica se debe tener un flujo de costos que reflejen el impacto de las variables de diseño seleccionadas, como ejemplo saber cuánto sería el consumo energético mensual para un año típico de tener 10, 15 o 20 cm de aislante en los muros, ya que este valor se repetiría años posteriores. Es solo de esta forma que la evaluación económica mostrará la mejor de las posibles alternativas. Si estos conceptos son considerados tardíamente, u obviados, los costos de operación y mantenimiento pueden incrementarse significativamente. Ante lo anterior, las herramientas computaciones de simulación dinámica son de gran utilidad para estimar los posibles costos asociados a las variables de diseño del proyecto.

Una simulación dinámica se refiere a una versión computarizada de un modelo (en nuestro caso una edificación) la cual correr en el tiempo permite analizar las implicaciones de interacciones de elementos y sistemas que de otra manera no serían aparentes, como lo puede ser la relación entre acabados superficiales y consumo eléctrico para iluminación. Así mismo, le ventaja de simulaciones dinámicas radica en que durante la fase de diseño se pueden realizar varios modelos para ver variaciones en algunos de los parámetros analizados (cambios de ventanas, espesor de aislante, entre otros).

De esta manera realizar simulaciones de varias alternativas – al inicio del proyecto – puede llevar a soluciones que mejoren significativamente el desempeño de la edificación, así como identificar una opción económicamente competitiva con respecto a otras opciones. Las simulaciones son un gran aporte a arquitectos e ingenieros, en especial si se quiere mejorar el cumplimiento energético de la edificación y buscar un alto desempeño.

Los resultados de las simulaciones dan información valiosa para la toma de decisiones sobre elementos como:

• Envolvente: optimización de materiales aislante, ubicación de barreras de vapor;
• Iluminación: optimizar entrada de iluminación natural y optimización en iluminación artificial;
• Ventanas: tamaño, ubicación, tipo de ventanas y protecciones solares;
• Sistemas de acondicionamiento y ventilación: reducir el tamaño de los equipos, optimizar su diseño, capacidad y funcionamiento;
• Operación y mantenimiento: reducción significativa en costo de consumo de electricidad y combustibles

Para asegurar que el uso de la simulación sea efectivo, se recomienda:

• Realizar simulaciones dinámicas lo más temprano posible en la fase de diseño.
• Mantener las simulaciones sencillas, no añadir más detalle del que sea necesaria para responder las preguntas de diseño e interrogantes de evaluación económica.
• Refinar mientras se avanza, para que la simulación avance con el diseño.
• Estar vigilante, para no cometer errores (en especial en la data y suposiciones de entrada como los son las tasas de infiltración).
• No usar la simulación si no puede responder a las preguntas de diseño.

Existen paquetes para varios tipos de aplicaciones, siendo los más comunes los de desempeño energético. Otras aplicaciones son contaminación atmosférica, análisis económicos, calidad del aire interior, análisis solar, ventilación y flujo de aire, conservación del agua, acústica, confort térmico, sistemas de ductos y tuberías, entre otros. Si el interés es mejorar el desempeño energético de edificaciones existe una gran variedad de paquetes donde su uso depende del nivel de detalle y rigurosidad en el cálculo deseado, algunos son:

ENERGY PLUS: Es un software modular basado en las mejores características de DOE2.1 con dos grandes componentes: un balance de masa y calor,  y un módulo de simulación de sistemas de edificaciones. Es un ejecutable por lo que su entrada y salida de datos son archivos de texto, esto lo hace un poco complicado y extenso al efectuar un análisis completo.  Sin embargo hoy en día existen interfaces gráficas que facilitan su uso.

 eQUEST:  Es de fácil manejo, este programa permite la obtención de resultados de alto nivel, además de poder  adquirirse gratuitamente. Su mejor característica es la guía que lleva paso a paso el proceso de crear un modelo energético de la edificación, que se extiende desde el diseño arquitectónico, el equipo de acondicionamiento, el plan y distribución del edificio, hasta la ocupación de las zonas e iluminación, entre otros.

 ECOTECT: Su fuerte se encuentra en la fase del diseño conceptual permitiendo al arquitecto optimizar desde esta fase. Permite visualizar resultados de análisis térmico, energía, iluminación, sombras, entre otros.

Como nota final hay que tener en cuenta que el tipo de herramienta utilizada ofrecerá beneficios solo en base a su correcto uso, por lo que es de gran importancia la competencia que el profesional tenga con la herramienta.

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El balance energético de un edificio representa los flujos de energía entre el edificio y su entorno. Es un estudio comparativo de la suma de las ganancias y la suma de las pérdidas de energía.También se llama equilibrio energético, debido a que ambas sumas deben ser iguales.En otras palabras: Calculando la suma de las pérdidas obtenemos la cantidad de energía requerida, por ejemplo para dimensionar la instalación de calefacción.

Alcance

Los siguientes gráficos representan el balance de energía térmica de una vivienda, tomando en consideración la energía de calefacción y de calentamiento de agua sanitaria.

¿Qué es el balance energético de un edificio?

Asimismo podemos definir otros límites y bases de cálculo para el balance:

• Solo la calefacción, o al contrario, todos los energéticos y todos los usos del hogar, tal como la electricidad para iluminación y el equipamiento.
• En la evaluación de la sustentabilidad del uso de energía se debe tomar en cuenta la energía primaria.
• En lugar de demanda y consumo teórico, el cálculo puede basarse en el consumo real de energía.
• El cálculo puede realizarse en régimen estático o en régimen dinámico.

La forma más básica para determinar la demanda energética de calefacción es el cálculo de la energía transmitida por los elementos de la envolvente. No considera, por el lado del suministro, las ganancias solares e internas. Por el lado de las pérdidas ignora la ventilación y las infiltraciones. En una casa convencional puede servir de todas maneras como primera aproximación.

Utilidad

El balance de los flujos de energía nos ayuda a visualizar la importancia y relevancia de cada flujo de energía. Por lo tanto depende de nuestro propósito, qué detalle y qué alcance es conveniente considerar.

Flujo de energía térmica residencial

El diagrama de flujos de energía térmica residencial visualiza por el lado del input, el total de energía que se distribuye en los flujos principales de calefacción y agua caliente, pero también incluye unos flujos menores de pérdidas.

Estos se contabilizan como pérdidas. En la calefacción es el calor que se queda en la sala de caldera y lo que sale por el ducto de gases de combustión. La calefacción con estufa rodante no tiene este tipo de fugas de energía. No obstante genera pérdidas de manera indirecta por la ventilación adicional necesaria.

Además suman aquí la ganancia solar y las ganancias internas.

Por el lado del output, que son las pérdidas, tenemos la transmitancia por la envolvente y las pérdidas por ventilación y por infiltraciones de aire.

Aparte de las aguas servidas que se llevan la mayor parte del calor de calentamiento de agua.

Estrategias de eficiencia energética

Para reducir la energía de calefacción, consecuentemente tenemos a disposición estas estrategias de eficiencia energética:

• El aumento de las ganancias solares se traduce directamente en ahorro energético. Es una cuestión de diseño de la casa.
• La reducción de las pérdidas por transmisión por la envolvente, es decir la aislación térmica, es la estrategia principal a nivel de construcción.
  Aquí el espesor de la capa aislante no es lo único que importa. Igual importancia tienen los puntos críticos que encontramos en cada envolvente, así como una construcción que mantiene secos el aislante y los demás materiales de la construcción.
• Las pérdidas por infiltración de aire son innecesarias y deberían ser casi cero. Son un problema constructivo.
• No podemos eliminar las pérdidas por ventilación, debido a que la ventilación de la casa es vital. Pero podemos optimizar la ventilación natural. El objetivo es un confort higro-térmico adecuado y a la vez eficiencia energética. Se resuelve a nivel de hábitos de los usuarios del edificio.
  En caso de ventilación mecánica, por ejemplo en los Passivhaus, se trabaja con técnicas de recuperación de calor.

Las ganancias internas son inconstantes y ellas mismas son el objeto de esfuerzos de eficiencia energética: somos nosotros los seres humanos más el equipamiento a electricidad y a combustible que utilizamos. Aumentar estas ganancias significa aumentar el consumo de energía dentro del hogar. Por lo tanto es una mala estrategia de ahorro.

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La arquitectura y la energía están estrechamente vinculadas: una de las principales funciones de nuestras edificaciones es mantener en su interior una temperatura del aire distinta a la temperatura del ambiente exterior. Para esto es necesario evitar, o al menos reducir, la transmisión del calor por la envolvente del edificio. ¿Pero cómo se transfiere el calor en los edificios?

Principalmente existen tres formas de transferencia de calor: la conducción, la radiación y la convección.

Tipos de transferencia de calor

Conducción

La conducción es el paso del calor por contacto directo entre un cuerpo y otro.

Por ejemplo, es lo que sentimos como caliente cuando usamos un guatero, o como frío al pisar el piso helado sin calcetines.

La conducción transmite energía cinética entre átomos o moléculas adyacentes sin transporte de material. Este tipo de transferencia de calor es irreversible y transporta el calor de un nivel de energía más alto hacia un nivel inferior.

Radiación

La radiación es la emisión de energía desde la superficie de un cuerpo.

La experimentamos al exponernos a la radiación solar o acercándonos a una fogata, y nos damos cuenta que el calor de radiación es en independiente de la temperatura del aire.

La radiación de calor es parte de las ondas electromagnéticas. Por lo general, la energía es transportada por ondas infrarrojas. La radiación térmica es la única forma de transmisión del calor que puede penetrar el vacío.

Convección

La convección se refiere a transferencia de calor en gases y líquidos, al mezclarse partes de diferente temperatura.

Hacemos uso de la convección cuando utilizamos un secador de pelo, y la podemos observar cuando agregamos leche fría al café caliente.

La convección es el transporte de calor por medio del movimiento de un fluido, entre zonas con diferentes temperaturas y consecuentemente un gradiente de densidad. Implica la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido.

Transmisión de calor en edificios

En los edificios encontramos, dondequiera que miremos, constantes procesos de transmisión de calor:

• La transferencia de calor a través de la envolvente opaca de un edificio sucede fundamentalmente por conducción.
• Tanto las ganancias solares como las ganancias internas son básicamente radiaciones de calor.
• Las convecciones más importantes en el balance térmico de los edificios son las pérdidas (o ganancias) por ventilación y por infiltraciones.

Casi todos los procesos de transmisión de energía térmica son procesos combinados, la conducción y la radiación casi siempre van acompañados por convecciones.

El acondicionamiento térmico de los edificios se basa en la radiación y en la convección: Mientras la calefacción idealmente es por radiación o una combinación entre radiación y convección, el aire acondicionado por lo general funciona solo por convección.

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Siempre algo de energía es requerido para controlar el clima y calidad del aire interior, por ello muchas veces se piensa que un ahorro de energía equivale a empobrecer la calidad ambiental interior o, por el contrario, que un buen nivel interior es logrado solo si se gasta mucha energía. Esto no es verdad, y ahora está siendo generalmente admitido que un buen nivel interior no necesariamente se logra con mucha energía y aún más, esta calidad se puede lograr con muy poca.

Muchos estudios han demostrado que existe un gran derroche en el consumo de energía, ya sea en relación al volumen, a la envolvente, al clima del contexto, etc. Existen muchas razones que explican esto, entre éstas: el bajo nivel de aislación térmica, la mala eficiencia de los equipos de climatización, los aportes solares no controlados o no logrados, falta de ventilación natural y a veces la mala administración general de la edificación en términos energéticos.

En general, las razones del porqué los diseños que logran bajo consumo energético no son ampliamente escogidos están entre:

1. falta de información: o equivoca, hay poca información referencial de estas edificaciones y de su desempeño térmico.
2. credibilidad y aplicabilidad: por error se piensa que una edificación que ahorra energía involucra diseños muy extraños o poco convencionales.
3. la comercialización es baja: el mercado potencial no es del todo por ahora reconocido por los inversionistas. Una edificación que ahorra energía aún no es del todo mirada como algo que tiene buena demanda, esto a pesar de que los usuarios en general tratan siempre de bajar los gastos energéticos una vez adquirida la propiedad.
4. falta de incentivo: al no existir aún una norma completa en relación al ahorro de energía, y por otro lado al no existir, de alguna manera, ciertas rebajas o franquicias económicas por vivir en una edificación de bajo consumo, estas soluciones no alcanzan aún a ser entendidas.
5. costos de inversión económica: en general se piensa que estas posibilidades de edificación son muy costosas y de muy lenta recuperación. Lo que no es cierto, puesto que si está bien concebida la construcción, y dependiendo del diseño, el costo extra no existe y, por lo tanto, siempre serán beneficios los que se obtengan.
6. diseños de calidad: no siempre son de buena calidad los diseños de las edificaciones eficientes en términos energéticos. Son en general escasos los buenos ejemplos arquitectónicos. Esto ha alejado a varios de esta línea, lo que por otro lado se convierte en un desafío para los arquitectos; el cómo idear una buena solución de diseño en estos días.
7. la situación actual real: no muchos entienden que en estos tiempos, con el aumento de la demanda de energía, el aumento de los estándares de vida, la escasez de recursos (tanto energéticos convencionales y económicos) y el aumento del daño al medio ambiente, que la situación debe cambiar. Los modelos de vida del siglo XX no son ni serán los mismos para el siglo XXI, por lo tanto, se debe de buscar nuevas posibilidades edificatorias.

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