Universidad de Chile Facultad de Ciencias F´ısicas y Matem´ aticas Departamento de Ingenier´ıa Civil

´ DE UN EDIFICIO PARA OFICINAS, SEGUN ´ EVALUACION REQUERIMIENTOS DE LA NORMA ASHRAE 90.1, PARA ´ TRES ZONAS CLIMATICAS DE CHILE

MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL

´ VARELA ALEGRE SERGIO ADRIAN PROFESOR GU´IA ´ ROLF SIELFELD CORVALAN ´ MIEMBROS DE LA COMISION: ´ CARLOS AGUILERA GUTIERREZ MAURICIO TOLEDO VILLEGAS

SANTIAGO DE CHILE JULIO 2011

Evaluaci´ on de un edificio para oficinas, seg´ un requerimientos de la norma ASHRAE 90.1, para tres zonas clim´ aticas de Chile

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL POR: SERGIO VARELA A. FECHA: 01 de septiembre de 2011 PROF. GUIA: SR. ROLF SIELFELD C. ´ DE UN EDIFICIO PARA OFICINAS, SEGUN ´ REQUERIMIENTOS DE EVALUACION ´ LA NORMA ASHRAE 90.1, PARA TRES ZONAS CLIMATICAS DE CHILE

El objetivo general del presente trabajo es analizar de forma comparativa el desempe˜ no energ´etico de un edificio de oficinas tipo, seg´ un est´ andares de construcci´ on local y normativa ((ASHRAE 90.1-2007 Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings)), para distintas zonas clim´aticas de Chile. Y proponer mejoras cuantitativas a nivel de dise˜ no pasivo, equipamiento de climatizaci´ on e iluminaci´on. Se estudia el desempe˜ no energ´etico de un edificio para oficinas, pr´oximo a iniciar obra de construcci´ on, en las ciudades de Santiago, Antofagasta y Concepci´ on. Centr´andose en el dise˜ no de arquitectura y especificaciones de ingenier´ıa como son los sistemas de iluminaci´on, de computaci´ on y de climatizaci´ on de ambientes. Todas ´estas, dimensiones involucradas en el consumo energ´etico del edificio. Una vez reconocidas dichas dimensiones en el dise˜ no tradicional, ´estas se comparan de forma cuantitativa con una l´ınea base entregada por la metodolog´ıa de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico, inclu´ıda en el ap´endice G de la normativa ((ASHRAE 90.1-2007)). Dicha l´ınea base representa una variaci´ on del mismo edificio, pero cumpliendo con los requerimientos m´ınimos especificados en la normativa, considerando entre sus variables: climatolog´ıa del lugar, geometr´ıa, orientaci´ on, materialidad de envolvente, iluminaci´on, climatizaci´ on de ambientes, entre otros. Los resultados del estudio indican consumos energ´eticos del dise˜ no tradicional superiores a la l´ınea base decrita en el p´arrafo anterior, en un 37 %, 35 % y 47 % para las ciudades de Santiago, Concepci´ on y Antofagasta respectivamente. Se concluye que existen dos falencias en el dise˜ no del edificio que causan aumento en el consumo ´ energ´etico por sobre la l´ınea base. Estas son, primero, sistemas de iluminaci´on ineficientes, de alto consumo y sin control autom´ atico; y segundo, una fachada mayoritariamente vidriada, con alto traspaso de radiaci´on solar al interior del edificio. Falencias que en conjunto provocan un sobrecalentamiento de los espacios interiores, generando mayor uso de enfriamiento y con esto un aumento en el consumo energ´etico total del edificio.

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Finalmente se proponen cuatro estrategias de mejoras en el dise˜ no, que pretenden alcanzar ´ consumos de energ´ıa bajo la l´ınea base. Estas corresponden a mejoras en el sistema de iluminaci´ on y control de ´este; modificaci´ on de la fachada; y un dise˜ no integral de iluminaci´on y fachada, el que se eval´ ua para dos sistemas de climatizaci´ on.

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a.

A mis padres y hermanos, gente de alegr´ıa y esfuerzo...

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AGRADECIMIENTOS

El presente trabajo no hubiese sido posible de realizar sin el conocimiento, experiencia y profesionalismo del profesor gu´ıa Sr. Rolf Sielfeld y los miembros de la comisi´ on Sr. Carlos Aguilera y Sr. Mauricio Toledo. Mi m´ as sincero agradecimiento.

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´Indice general 1. Introducci´ on

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1.1. Motivaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2.1. Objetivos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2.2. Objetivos Espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.3. Hip´ otesis y Metodolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2. Consumo de Energ´ıa en Edificios

11

2.1. Uso seg´ un tipos de edificios para oficinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2. Zonas Clim´ aticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3. Edificio de referencia: Edificio Moneda, caracter´ısticas generales. . . . . . . . . . . . 18 3. Conceptos y Metodolog´ıa ASHRAE 90.1-2007

19

3.1. Conceptos y Terminolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.1. Envolvente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.2. Sistema HVAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.3. Iluminaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2. M´etodo de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´etico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2.1. Requerimientos de Envolvente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2. Requerimientos de Sistema HVAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.2.3. Requerimientos de Iluminaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4. An´ alisis Dise˜ no Tradicional

63

4.1. Caracter´ısticas de Modelos: Edificio Tradicional y L´ınea Base . . . . . . . . . . . . . 65 4.2. An´ alisis Dise˜ no Tradicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2.1. Elevado Consumo de Iluminaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.2. Balance Energ´etico y Ganancias Interiores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2.3. Porcentaje vidriado

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2.4. Coeficiente de Ganancia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.5. Tecnolog´ıa y comportamiento del sistema HVAC . . . . . . . . . . . . . . . . 80

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5. Estrategias de Dise˜ no

82

5.1. Estrategia 1: Potencia Instalada (LPD) y Control de Iluminaci´on . . . . . . . . . . . 84 5.2. Estrategia 2: Fachada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3. Estrategias 3a y 3b: Dise˜ no Integral de Iluminaci´on y Fachada

. . . . . . . . . . . . 93

5.4. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 6. An´ alisis de Inversi´ on

99

6.1. Ahorros Energ´eticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2. Tarifa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.3. Estrategia 1: Potencia Instalada (LPD) y Control de Iluminaci´on . . . . . . . . . . . 104 6.4. Estrategia 2: Fachada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.5. Estrategia 3a: Dise˜ no Integral con Sistema HVAC ASHRAE 90.1-2007 . . . . . . . . 108 6.6. Estrategia 3b: Dise˜ no Integral con Sistema HVAC Tradicional . . . . . . . . . . . . . 110 6.7. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7. Conclusiones

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´Indice de figuras 1.1. Desglose Consumo Energ´ıa Primaria en Chile 2008. (CNE, 2008) . . . . . . . . . . .

2

1.2. Distribuci´on clim´atico habitacional de Chile. (NCh 1079.of 2008, 2008) . . . . . . . .

5

1.3. Edificio Moneda, caracter´ısticas principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.4. Cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico ((ASHRAE 90.1-2007)). . . . . . . . . . . . .

8

1.5. Diagrama de flujo del estudio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1. Intensidad de uso energ´etico promedio. (Departamento de Energ´ıa, USA, 2011) . . . 12 2.2. Tipolog´ıa de oficinas. (Energy Consumption Guide 19, 2003). . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Consumo energ´etico seg´ un tipolog´ıas de oficinas. (Energy Consumption Guide 19, 2003) 15 2.4. Distribuci´on de temperaturas en enero y junio. (Department of Geography, 2011) . . 15 2.5. Radiaci´ on solar neta en enero y junio. (Department of Geography, 2011) 2.6. Consumo promedio en Santiago 180, 8

[kW h/m2 ]-

. . . . . . 16

(Cabrera & Sielfeld, 2008) . . . . 16

2.7. Definici´on de zonas clim´aticas internacionales AHSRAE. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) 17 3.1. Diagrama cap´ıtulo 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2. Imagen termogr´ afica y flujos de calor de edificaciones.(Science Photo) . . . . . . . . 23 3.3. Cargas Externas e Internas. (http://new-learn.info)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.4. Flujo unidereccional. (http://new-learn.info) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.5. Propiedades de superficies vidriadas. ( www.commercialwindows.umn.edu) . . . . . . 26 3.6. Alcance de los Requerimientos de Envolvente, fuente:ASHRAE 90.1-2007 (2007) . . 28 3.7. Rutas de cumplimiento de Envolvente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.8. Rutas de cumplimiento de Sistema HVAC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.9. Sistema de iluminaci´on en oficinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.10. Funcionamiento tubo fluorescente. http : //www.rohrlux.de . . . . . . . . . . . . . . 44 3.11. Eficacia de los sistemas de iluminaci´on seg´ un tecnolog´ıa. (ASHRAE, 2008) . . . . . . 45 3.12. Rutas de cumplimiento de Sistema Iluminaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.13. Esquema de Sistema HVAC VAV con unidades terminales. . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.1. Diagrama cap´ıtulo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2. Zonificaci´ on de modelo, Planta tipo 3 a 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3. Zonificaci´ on de modelo, Planta tipo 12 a 21. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

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4.4. Perfil de ocupaci´ on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.5. Perfil de iluminaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.6. Comparaci´ on sistemas de climatizaci´ on tradicional y l´ınea base. . . . . . . . . . . . . 70 4.7. Consumo Edificio Moneda, dise˜ no tradicional y l´ınea base, Santiago. . . . . . . . . . 73 4.8. Consumo Edificio Moneda, dise˜ no tradicional y l´ınea base, Concepci´on.

. . . . . . . 73

4.9. Consumo Edificio Moneda, dise˜ no tradicional y l´ınea base, Antofagasta. . . . . . . . 74 4.10. Balance energ´etico mensual, dise˜ no tradicional Santiago. . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.11. Balance energ´etico mensual, dise˜ no tradicional Concepci´ on. . . . . . . . . . . . . . . 75 4.12. Balance energ´etico mensual, dise˜ no tradicional Antofagasta. . . . . . . . . . . . . . . 76 4.13. Consumo anual en funci´ on del porcentaje vidriado, Antofagasta. . . . . . . . . . . . 77 4.14. Ganancias de calor total y solar a trav´es de ventanas en Antofagasta. . . . . . . . . . 77 4.15. Consumo anual de edificio tradicional seg´ un termopanel. . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.16. Ganancia solar para distintos tipos de termopanel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.17. Consumo de equipo enfriador Fancoil para distintos tipos de termopanel. . . . . . . . 80 5.1. Diagrama cap´ıtulo 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2. Sistema iluminaci´on fluorescente T8 y balastos electromagn´eticos . . . . . . . . . . . 84 5.3. Control de Iluminaci´ on para Estrategia 1:LPD y Control. . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.4. Consumos estrategia 1: LPD + Control y l´ınea base en Santiago. . . . . . . . . . . . 86 5.5. Consumos estrategia 1: LPD + Control y l´ınea base en Concepci´on. . . . . . . . . . 87 5.6. Consumos estrategia 1: LPD + Control y l´ınea base en Antofagasta. . . . . . . . . . 87 5.7. Consumos estrategia 2: Fachada en Santiago. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.8. Consumos estrategia 2: Fachada en Concepci´ on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.9. Consumos estrategia 2: Fachada en Antofagasta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.10. Balance energ´etico fachada propuesta y tradicional, Santiago. . . . . . . . . . . . . . 91 5.11. Balance energ´etico fachada propuesta y tradicional, Concepci´on. . . . . . . . . . . . 91 5.12. Balance energ´etico fachada propuesta y tradicional, Antofagasta. . . . . . . . . . . . 92 5.13. Sistema Iluminaci´ on T12 con balasto electromagn´etico . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.14. Balance t´ermico Estrategia 3, Santiago . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.15. Balance t´ermico Estrategia 3, Concepci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.16. Balance t´ermico Estrategia 3, Antofagasta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.17. Consumos estrategia 3: Dise˜ no Integral y l´ınea base en Santiago. . . . . . . . . . . . 96 5.18. Consumos estrategia 3: Dise˜ no Integral y l´ınea base en Concepci´on. . . . . . . . . . . 97 5.19. Consumos estrategia 3: Dise˜ no Integral y l´ınea base en Antofagasta. . . . . . . . . . 97 6.1. Variaci´ on del costo energ´etico en Chile. (CNE, Ministerio de Energ´ıa). . . . . . . . . 103 6.2. Energ´ıa conservada y periodo de retorno estrategias en Santiago. . . . . . . . . . . . 112 6.3. Energ´ıa conservada y periodo de retorno estrategias en Concepci´on. . . . . . . . . . 112 6.4. Energ´ıa conservada y periodo de retorno estrategias en Antofagasta. . . . . . . . . . 113

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´Indice de tablas 2.1. Definici´on de zonas clim´aticas ASHRAE. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . . . . . . 17 3.1. Criterio para espacios calefaccionados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 1. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 30 3.3. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 2. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 31 3.4. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 3. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 32 3.5. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 4. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 33 3.6. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 5. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 34 3.7. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 6. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 35 3.8. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 7. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 36 3.9. Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 8. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) . . . . 37 3.10. Requerimientos ASHRAE 90.1-2007 para enfriadores de agua. . . . . . . . . . . . . . 41 3.11. Flujo luminoso seg´ un tipo de luminaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.12. Eficiencia de sistemas de iluminaci´on seg´ un tecnolog´ıa,(Bordoni, 2010) . . . . . . . . 45 3.13. Ruta prescriptiva iluminaci´on, m´etodo espacio por espacio. (ASHRAE 90.1-2007, 2007) 48 3.14. Ajuste de Ca´ıda de Presi´ on ventiladores. (ASHRAE 90.1-2007, 2007). . . . . . . . . 58 3.15. Funcionamiento carga parcial ventiladores VAV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.16. Factor de ajuste sistemas de control de iluminaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1. Superficies Edificio Moneda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.2. Envolvente tradicional y l´ınea base seg´ un zonificaci´on clim´atica . . . . . . . . . . . . 69 4.3. Resumen Potencia Instalada en Iluminaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4. Resultados desempe˜ no energ´etico dise˜ no tradicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.5. An´ alisis dise˜ no tradicional, desglose de consumos por zona clim´atica . . . . . . . . . 72 4.6. An´ alisis l´ınea base, desglose de consumos por zona clim´atica . . . . . . . . . . . . . . 72 4.7. Ganancias de calor por radiaci´on y total anual kW h/a˜ no − m2 . . . . . . . . . . . . . 76 4.8. An´ alisis param´etrico porcentaje vidriado, Antofagasta. . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.9. Caracter´ısticas de vidrios an´ alisis de fachada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.10. Tabla de resultados an´ alisis SHGC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.1. Resumen LPD para Estrategia 1: LPD y Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

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Evaluaci´ on de un edificio para oficinas, seg´ un requerimientos de la norma ASHRAE 90.1, para tres zonas clim´ aticas de Chile

5.2. Consumos anuales, Estrategia 1: LPD y Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.3. Porcentaje de consumo de estrategia iluminaci´on con respecto a dise˜ no tradicional. . 86 5.4. Cuantificaci´ on Estrategia 1, seg´ un Building Performance Rating Method . . . . . . . 86 5.5. Consumos anuales, Estrategia 2: Fachada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.6. Variaci´ on de estrategia Fachada con respecto a dise˜ no tradicional.

. . . . . . . . . . 88

5.7. Cuantificaci´ on Estrategia Fachada seg´ un Performance Rating Method . . . . . . . . 89 5.8. Aporte solar estrategia de fachada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.9. Iluminaci´ on propuesta Estrategia 3 y l´ınea base ((ASHRAE 90.1-2007)) . . . . . . . . 93 5.10. Resultados Estrategia 3a, Sistema HVAC ((ASHRAE 90.1-2007)) . . . . . . . . . . . . 94 5.11. Resultados Estrategia 3b, Sistema HVAC Tradicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.12. Cuantificaci´ on energ´etica Estrategia 3a: Dise˜ no Integral Sistema HVAC ((ASHRAE 90.1-2007)). 96 5.13. Cuantificaci´ on energ´etica Estrategia 3b: Dise˜ no Integral Sistema HVAC Tradicional.

96

5.14. Resumen del desempe˜ no energ´etico para estrategias de dise˜ no. . . . . . . . . . . . . . 98 6.1. Consumos energ´eticos mensual estrategias de dise˜ no y dise˜ no tradicional. . . . . . . 101 6.2. Ahorros energ´eticos anuales estrategias de dise˜ no en base a dise˜ no tradicional. . . . . 102 6.3. Tarifas actual y promedio u ´ltimos 10 a˜ nos. (CNE, Ministerio de Energ´ıa). . . . . . . 103 6.4. Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 1, LPD y Control de Iluminaci´on. . . . . 104 6.5. Costos de Inversi´ on Estrategia 1: LPD + Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 6.6. Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 1: LPD + Control. . . . . . 104 6.7. Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 1.

. . . . . . . . . . . . . . 105

6.8. Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 2, Fachada. . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.9. Costos de Inversi´ on Estrategia 2: Fachada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.10. Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 2: Fachada. . . . . . . . . . 107 6.11. Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 2.

. . . . . . . . . . . . . . 107

6.12. Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 3a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.13. Costos de Inversi´ on Estrategia 3a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.14. Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 3a. . . . . . . . . . . . . . . 108 6.15. Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 3a. . . . . . . . . . . . . . . 109 6.16. Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 3b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.17. Costos de Inversi´ on Estrategia 3b. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.18. Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 3b. . . . . . . . . . . . . . . 110 6.19. Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 3b. . . . . . . . . . . . . . . 111 6.20. Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 3b. . . . . . . . . . . . . . . 112 7.1. Resumen de Estrategias de Dise˜ no. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

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Cap´ıtulo 1

Introducci´ on

¨En tanto los seres humanos se entiendan como parte de un ecosistema mayor y complejo que requiere armon´ıa entre sus partes para mantener su equilibrio. Estos ser´ an potencialmente capaces, sin importar la forma, de asegurar el rol de las generaciones futuras en este sistema¨

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1.1.

Motivaci´ on

Uno de los principales conceptos asociados al desarrollo de un proyecto pensado desde la sostenibilidad, es el uso eficiente de los recursos energ´eticos, agua y materiales. Es as´ı como, al tener menores ´ındices de consumo energ´etico, se disminuir´ an a la vez el consumo de recursos naturales y los niveles de emisi´ on de contaminantes. A esto se agrega una baja en los costos operacionales del edificio que compensar´an posibles aumentos en la inversi´ on de sistemas eficientes y de mayor complejidad tecnol´ ogica; dando factibilidad a este tipo de proyectos. Las edificaciones son uno de los principales agentes consumidores de energ´ıa, se estima que requieren alrededor del 30 % de la energ´ıa a nivel mundial. Disminuir un 10 % los consumos de las edificaciones, s´ olo en los Estados Unidos ser´ıa equivalente en emisiones de gases efecto invernadero, a sacar de circulaci´ on 30 millones de autom´ oviles de las carreteras. (US Green Building Council, 2009). A nivel nacional, el consumo del sector comercial, p´ ublico y residencial; asociado a las edificaciones consume el 20 % del total, como se observa en Figura 1.1.

Figura 1.1: Desglose Consumo Energ´ıa Primaria en Chile 2008. (CNE, 2008)

Desempe˜ no Energ´etico de Edificaciones Se entiende por desempe˜ no energ´etico de una edificaci´ on, al nivel de eficiencia en el consumo de energ´ıa necesaria para satisfacer las diversas necesidades asociadas a la ocupaci´ on de dicha construcci´ on. Este involucra la interacci´ on de distintos elementos consumidores de energ´ıa, entre los que se encuentran: climatizaci´ on de ambientes, iluminaci´on, equipos el´ectricos, agua caliente sanitaria y ventilaci´ on, entre otros. Esta interacci´ on se comporta de manera sist´emica (Calder´ on, 2010), debido a que en la cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico se involucran variables de diversa ´ındole; entre las que se encuentran: aspectos arquitect´ onicos, materialidad, orientaci´ on espacial, climatolog´ıa de la zona Departamento de Ingenier´ıa Civil

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de emplazamiento, utilizaci´ on de espacios, sombreamiento, entre otros. Estimar estos consumos y encontrar las implicancias de ciertas medidas de eficiencia energ´etica en otros agentes consumidores, ser´ a propia a cada tipolog´ıa de edificios y caracter´ısticas inherentes a ´estos. Por ejemplo, al calcular la mejora del desempe˜ no de un edificio, renovando las luminarias por unas de mayor eficiencia, implicar´ a menores ganancias de calor en el ambiente y por ende una variaci´on en el consumo asociado a la climatizaci´ on de ´estos. Aumentando el consumo de calefacci´ on, ´ o por el contrario, disminuyendo la carga de aire acondicionado. Este efecto se denomina efecto cruzado. Consumo seg´ un Zona Clim´ atica La diversidad de la climatolog´ıa en Chile es alt´ısima, se observa desde climas des´erticos y extrema aridez, hasta climas fr´ıos y de alta pluviosidad; pasando por pr´acticamente toda la gama de climas definidos por los especialistas. Seg´ un normativa nacional NCh1079of.2008 se definen 9 zonas clim´atico-habitacionales, las que presentan caracter´ısticas que permiten realizar un dise˜ no arquitect´ onico adecuado para cada zona. Las zonas definidas son:

Norte Litoral: Abarca la franja costera desde el l´ımite con Per´ u hasta el l´ımite norte de la comuna de La Ligua, la zona entre el lado occidental de la Cordillera de la Costa hacia el poniente, hasta donde se siente la influencia del mar. Posee un ancho variable alcanzando hasta los 50 km. aproximadamente. Es una zona des´ertica, con clima dominante mar´ıtimo y poca oscilaci´ on de temperatura diaria. Nubosidad y humedad en las ma˜ nanas, soleamiento fuerte en las tardes y lluvias nulas en su extremo norte y poco frecuentes en el sur. Posee viento proveniente del Sur y Sur-Oeste. Norte Des´ ertico: Ocupa la planicie comprendida entre la Cordillera de los Andes y la Cordillera de la Costa, desde el l´ımite con Per´ u hasta el l´ımite norte de las comunas de Potrerillos y Diego de Almagro. Se puede considerar la l´ınea de nivel de 3000m como l´ımite oriental. Es una zona des´ertica, sin lluvias y calurosa. Posee fuerte radiaci´on solar, una atm´ osfera limpia y una fuerte oscilaci´ on de temperatura diaria. Vegetaci´ on nula, con noches fr´ıas y vientos fuertes. Tiene la particularidad de tener una angosta subzona de microclima, debido al cruce del R´ıo Loa. Vientos dominantes del Oeste. Norte Valle Transversal: Se extiende por la regi´ on de los cordones y valles transversales, al oriente de la zona NL excluyendo la Cordillera de los Andes sobre los 400 m y desde el l´ımite norte de las comunas de Potrerillos y Diego de Almagro hasta el l´ımite norte de las comunas de La Ligua y Petorca. Es una zona semides´ertica con veranos largos y calurosos. Los valles presentan microclimas. Posee lluvias escasas, con un aumento en el sur. Tiene una oscilaci´ on diaria de temperatura y radiaci´on solar fuerte. Presenta un aumento de vegetaci´ on, Departamento de Ingenier´ıa Civil

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escasa nubosidad, vientos irregulares y una atm´ osfera relativamente seca. Vientos dominantes del Oeste. Central Litoral: Contin´ ua hacia el sur la zona ocupada por el NL, desde el l´ımite norte de la comuna de La Ligua hasta el l´ımite norte de la comuna de Cobquecura. Penetra en los valles de los r´ıos. Posee clima mar´ıtimo, con inviernos cortos, temperatura templada, lluvias importantes. El suelo y su ambiente son salinos y relativamente h´ umedos, con una vegetaci´ on normal. Vientos predominantes del Sur-Oeste. Central Interior: Abarca el valle central extendido entre el NL y la precordillera de los Andes por bajo de los 1000 m de altura. Empieza por el norte desde el l´ımite norte de las comunas de La Ligua y Petorca hasta el l´ımite norte de las comunas de Cobquecura, Quirihue, ˜ en. Posee un clima mediterr´ Ninhue, San Carlos y Niqu´ aneo con temperaturas templadas e inviernos de 4 a 5 meses, una vegetaci´ on normal y lluvias en aumento hacia el sur. Una insolaci´ on intensa en verano y una oscilaci´ on de temperatura diaria moderada, aumentando hacia el Este. Presenta un viento proveniente del Sur-Oeste. Sur Litoral: Es una zona ubicada a continuaci´ on del CL que cubre desde el l´ımite norte de la comuna de Cobquecura hasta el l´ımite sur de las comunas de Maull´ı, Calbuco y Puerto Montt. Var´ıa en su ancho, con penetraci´ on en los diferentes valles de los r´ıos que la cruzan. Posee clima mar´ıtimo y lluvioso, con inviernos largos y un suelo y ambiente salinos y h´ umedos. Vientos desde el Oeste fuertes. Vegetaci´ on robusta y una temperatura templada a fr´ıa. Vientos irregulares provenientes del Sur-Oeste y Norte. Sur Interior: Es la continuaci´ on del CI, abarcando por el norte desde el el l´ımite norte de ˜ en hasta el l´ımite norte las comunas de Cobquecura, Quirihue, Ninhue, San Carlos y Niqu´ de las comunas de Maull´ın y Puerto Montt. Hacia el Este llega hasta la Cordillera de los Andes por debajo de los 600 m. Es una zona lluviosa y fr´ıa con heladas. Posee veranos cortos de 4 a 5 meses con una insolaci´ on moderada, adem´ as de varios r´ıos y lagos, con sus propios microclimas. Una vegetaci´ on robusta y un ambiente y suelo h´ umedos. Vientos de componentes Sur. Sur Extremo: Est´a constituida por la regi´ on de los canales y archipi´elagos desde Chilo´e hasta la Tierra del Fuego. Contiene hacia el Este una secci´ on continental. Es una zona fr´ıa y lluviosa (todo el a˜ no). Nubosidad casi permanente y vernos cortos. Suelo y/o ambiente muy h´ umedo. Tambi´en heladas y nieve en altura, y vientos muy fuertes hacia el sur. Posee microclimas importantes en el interior. Andina: Comprende la faja cordillerana y precordillerana superior a los 3000 m de altitud en el norte (Zona Altipl´ anica) que bajando paulatinamente hacia el sur se pierde al sur de Pto. Montt. Es una zona de atm´ osfera seca con grandes oscilaciones de temperaturas diarias. En invierno se producen ventiscas y nieve. Vegetaci´ on de altura y un gran contenido de luz Departamento de Ingenier´ıa Civil

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ultravioleta en la radiaci´on solar. Debido a las diferencias de altura y latitud que presenta a lo largo posee caracter´ısticas particulares, principalmente con condiciones severas.

Figura 1.2: Distribuci´ on clim´ atico habitacional de Chile. (NCh 1079.of 2008, 2008)

En la actualidad no existe normativa alguna que regule, en t´erminos de eficiencia energ´etica, los dise˜ nos arquitect´ onicos de edificaciones comerciales u otro rubro aparte del sector residencial; donde desde el a˜ no 2006 comienza a exigirse la reglamentaci´ on t´ermica de viviendas (OGUC, 2006) y se presenta una zonificaci´on especialmente dise˜ nada para regular la aislaci´ on t´ermica de techumbres, pisos, muros y cantidad de ventanas para viviendas. Es por esto que se necesita de estudios donde se analice el dise˜ no de edificaciones en Chile seg´ un tipolog´ıa y c´ omo este determinar´a, junto con las caracter´ısticas climatol´ ogicas, el consumo energ´etico.

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1.2.

Objetivos

1.2.1.

Objetivos Generales

Analizar de forma comparativa el desempe˜ no energ´etico de un edificio de oficinas tipo, seg´ un est´ andares de construcci´ on local y normativa ((ASHRAE 90.1-2007 Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings)), para distintas zonas clim´aticas de Chile. Y proponer mejoras cuantitativas a nivel de dise˜ no pasivo, equipamiento de climatizaci´ on e iluminaci´on. Se consideran 3 ciudades: Santiago, Concepci´ on y Antofagasta.

1.2.2.

Objetivos Espec´ıficos

Reconocer, en un edificio reci´en dise˜ nado- previo inicio de obra-, las principales caracter´ısticas: arquitect´ onicas, materialidad de envolvente, ganancias internas asociadas, uso ocupacional, sistema de climatizaci´ on (HVAC), sistema de iluminaci´on y otros equipos; involucrados en el desempe˜ no energ´etico de edificios tipo oficinas. Realizar variaciones en el dise˜ no actual, de manera que cumpla los requerimientos del est´ andar ((ASHRAE 90.1-2007 Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings)), para distintas zonas clim´aticas en Chile. Y producto de un an´ alisis comparativo de las mejoras en el dise˜ no, proponer el mejor caso.

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1.3.

Hip´ otesis y Metodolog´ıa

Se analiza en este trabajo el dise˜ no de un edificio para oficinas que representa el est´ andar de c´ omo se construye actualmente en Chile. La estructura denominada Edificio Moneda, est´ a emplazada en la comuna de Santiago, en la intersecci´ on entre calles Moneda y Fanor Velazco. Actualmente se encuentra en etapa final de dise˜ no y pr´oximo a iniciar obra de construcci´ on. Las caracter´ısticas generales de la edificaci´ on son las siguientes:

Construcci´ on de hormig´ on armado, con 21 niveles y 5 subterr´ aneos para estacionamientos. Fachada completamente vidriada sin sistemas de sombreamiento. Planta abierta, se refiere a espacios libres sin divisiones interiores. Equipo de climatizaci´ on centralizado en base a sistema del tipo Fancoil, suministrado por enfriadores de agua para aire acondicionado y resistencia el´etrica en calefacci´ on.

Figura 1.3: Edificio Moneda, caracter´ısticas principales

Se espera encontrar aquellas caracter´ısticas del dise˜ no tradicional que generan un mayor consumo energ´etico respecto del presentado por el est´ andar y c´ omo la climatolog´ıa del lugar determina estos consumos. Entre estas caracter´ısticas, se encontrar´ıan una alta ganancia de calor por radiaci´on solar a trav´es de la superficie vidriada y sistemas de climatizaci´ on de baja eficiencia, que en conjunto provocan un elevado consumo de energ´ıa en refrigeraci´on.

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Se adopta en este estudio la metodolog´ıa de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´etico o BPRM (proveniente de las siglas en ingl´es Performance Rating Method ), inclu´ıdo en el Ap´endice G del c´ odigo ASHRAE 90.1-2007. M´etodo que tiene por objetivo medir el desempe˜ no energ´etico de un dise˜ no que supere los niveles de consumo del est´ andar, comparando dicho desempe˜ no con una l´ınea base (ver Figura 1.4). La l´ınea base de comparaci´ on se construye partir del dise˜ no del mismo edificio, pero cumpliendo con los requerimientos m´ınimos tratados en dicho est´ andar. Comparando as´ı, el consumo energ´etico de cualquier edificaci´ on, con el consumo si estuviese dise˜ nada exactamente con los requisitos de la normativa en cuesti´ on. La cuantificaci´ on energ´etica se obtiene mediante softwares de simulaci´ on computacional, considerando modelos din´ amicos que incluyen entre otras variables: data clim´atica del lugar de emplazamiento (temperatura, radiaci´on, etc), perfil de ocupaci´ on del edificio, flujos t´ermicos a trav´es de la envolvente y desempe˜ no de equipamientos mec´ anicos. Al considerar la data clim´atica de cada zona, esta herramienta se considera apta a los objetivos de este trabajo. Se utiliza el software de simulaci´ on din´ amica Design Builder v2.1 (licencia de evaluaci´on) en conjunto con Energy Plus, donde se incluyen modelos detallados de simulaci´ on energ´etica de edificaciones y distribu´ıdo libremente por el Departamento de Energ´ıa de los Estados Unidos.

Figura 1.4: Cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico ((ASHRAE 90.1-2007)).

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Se muestra en Figura 1.5 el diagrama explicativo del procedimiento del estudio, el que se compone b´asicamente en dos etapas: An´ alisis Dise˜ no Tradicional: Se entiende por dise˜ no tradicional a los elementos especificados en el proyecto de arquitectura y especialidades de ingenier´ıa, que est´ an involucrados en el desempe˜ no energ´etico del Edificio Moneda. Entre estos elementos se encuentran: especificaciones de construcci´ on, sistemas de iluminaci´on, ventilaci´ on y aire acondicionado, entre otros. Los modelos est´ an tratados de manera que representen, de forma general, las caracter´ısticas del dise˜ no que influyen en el consumo energ´etico final.

Estrategias de Dise˜ no: Una vez evaluado el desempe˜ no energ´etico, se proponen modificaciones a los elementos de arquitectura y otras especialidades. Dichas modificaciones se definen como Estrategias de Dise˜ no, y est´ an pensadas en lograr un desempe˜ no energ´etico que presente consumos menores a los de la l´ınea base ((ASHRAE 90.1-2007)). Se agrega tambi´en el an´ alisis econ´ omico de la inversi´ on y el c´ alculo del per´ıodo de retorno de dicha inversi´ on debido a los ahorros de energ´ıa.

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Figura 1.5: Diagrama de flujo del estudio.

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Cap´ıtulo 2

Consumo de Energ´ıa en Edificios

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En el caso de las edificaciones, el consumo energ´etico quedar´ a determinado inicialmente, por el uso para el que est´ a dise˜ nado el proyecto. Este tipo de clasificaci´ on es conocido como uso final de la energ´ıa o intensidad de uso. Por ejemplo, para un hotel ser´ a necesario mantener niveles adecuados de temperaturas el interior de las habitaciones, proveer de agua caliente sanitaria para duchas, o de un servicio de restaurante en cualquier momento; En cambio en un supermercado se observar´ an consumos o intensidades de uso diferentes, destinadas principalmente a refrigeraci´on de alimentos y calefacci´ on de espacios (ver Figura 2.1).

Figura 2.1: Intensidad de uso energ´etico promedio. (Departamento de Energ´ıa, USA, 2011)

Caracterizar y comparar estos consumos es el primer paso para analizar el consumo de energ´ıa de un proyecto, reconociedo aquellos agentes donde existe un malgasto. Este tipo de an´ alisis comparativo se denomina Benchmarking, el que se puede definir como una herramienta de administraci´ on que proporciona un enfoque disciplinario y l´ ogico para comprender y evaluar de manera objetiva las fortalezas y debilidades de una compa˜ n´ıa, en comparaci´ on de aquella que presenta el mejor desempe˜ no.

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2.1.

Uso seg´ un tipos de edificios para oficinas

Para realizar un correcto an´ alisis energ´etico de edificios tipo oficinas se deber´ a caracterizar los consumos de edificaciones similares (oficinas), reconociendo cu´ ales son los agentes que determinan los niveles de consumo y aquellos que no son predominantes. Existe una amplia variedad de tipolog´ıas de edificios para oficinas, las que se definen en 4 tipolog´ıas descritas a continuaci´ on. (Energy Consumption Guide 19, 2003)

1. Oficinas celulares naturalmente ventiladas: Edificaci´ on simple, generalmente dise˜ nada como espacio residencial reacondicionado para utilizaci´ on comercial. El tama˜ no fluct´ ua entre 100 m2 y 3000 m2 . El enfoque dom´estico, con ventanas individuales, bajos niveles de iluminaci´on natural, interruptores locales de iluminaci´on y sistemas de control unitarios de calefacci´ on; Ayudan a conseguir las condiciones de operaci´on adecuadas a los requerimientos de los ocupantes y tienden a tener, en particular, menores ´ındices de electricidad.

2. Planta abierta naturalmente ventilada: Plantas abiertas con algunas zonas de oficinas celulares entre 500 m2 y 4000 m2 . Este tipo de edificaciones generalmente son dise˜ nadas para tal prop´ osito, aunque a veces corresponde a reacondicionamiento de espacios industriales. Los niveles de iluminaci´on artificial y horas de uso generalmente superan a los de oficinas celulares. Presentan mayor equipamiento de oficinas (computacional), m´ aquinas dispensadoras, etc. Luces y equipos compartidos tienden a ser controlados en grupo y por ende presentan mayor tiempo de encendido.

3. Oficina tradicional con aire acondicionado: Construidas para uso general de oficinas. Tama˜ no entre 2000 m2 y 8000 m2 . La ocupaci´ on y distribuci´ on de este tipo de edificaciones es similar a las de planta abierta naturalmente ventilada, pero usualmente con una planta m´ as profunda, y con ventanas tinteadas y con sistemas de sombreamiento que disminuyen los niveles de iluminaci´on natural. El sistema de climatizaci´ on se basa en un sistema de volumen de aire variable (VAV) con chillers enfriados por aire.

4. Oficina corporativa con aire acondicionado: Corresponde a edificaciones corporativas, administrativas o t´ecnicas de nivel nacional o regional. El tama˜ no est´ a en el rango de 4000 m2 a 20000 m2 . Este tipo de edificaciones est´ a dise˜ nado seg´ un altos niveles de prestaciones. Presentan mayores horas de ocupaci´ on para cubrir los diversos tipos de ocupaci´ on. Se agrega el consumo asociado a casino (servicio de colaciones para aproximadamente la mitad del personal); salas especialmente Departamento de Ingenier´ıa Civil

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acondicionadas para servidores computacionales y equipos de comunicaci´ on; Bodegas extensas, instalaciones de estacionamientos y entretenci´ on.

Figura 2.2: Tipolog´ıa de oficinas. (Energy Consumption Guide 19, 2003).

El consumo real variar´a dependiendo de los niveles de ocupaci´ on, servicios y equipamiento para cada uno de los distintos tipos de oficinas anteriormente descritos. Tambi´en influir´ a la eficiencia de los sistemas y equipos que suministran las diferentes necesidades de ocupaci´ on, servicios, etc´etera. Existen diversos usos finales de energ´ıa asociados a edificaciones, entre las que se encuentran: Calefacci´on Agua caliente Aire Acondicionado Ventilaci´ on bombas y control Humidificaci´ on Iluminaci´ on Equipamiento de oficinas

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Cocina Sala de servicio Sala de comunicaciones, entre otros

Figura 2.3: Consumo energ´etico seg´ un tipolog´ıas de oficinas. (Energy Consumption Guide 19, 2003)

2.2.

Zonas Clim´ aticas

Importancia de la climatolog´ıa y falta de estudios nacionales El desempe˜ no energ´etico de las edificaciones estar´ a determinado tambi´en por las caracter´ısticas de la climatolog´ıa donde est´ an emplazadas las construcciones. Se observa en Figura 2.3 la predominancia del consumo en calefacci´ on de espacios para oficinas, lo que da raz´on a un clima de bajas temperaturas (ver Figura 2.4) y bajos ´ındices de radiaci´on solar (ver Figura 2.5), caracter´ısticos de la climatolog´ıa europea. Las condiciones de Santiago, Concepci´ on y Antofagasta son distintas a las recientemente descritas, y es debido a esto que se observar´ an diferencias.

Figura 2.4: Distribuci´ on de temperaturas en enero y junio. (Department of Geography, 2011)

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Figura 2.5: Radiaci´ on solar neta en enero y junio. (Department of Geography, 2011)

Para la ciudad de Santiago el consumo de oficinas posee un consumo promedio de 180, 8 [kW h/m2 ], con una distribuci´ on de usos finales que se desglosa en las siguientes categor´ıas: Refrigeraci´ on (22 %), Calefacci´on (27 %) Iluminaci´ on (26 %) Equipamiento Computacional (13 %) Cargas de Proceso (12 %)

Figura 2.6: Consumo promedio en Santiago 180, 8 [kW h/m2 ]- (Cabrera & Sielfeld, 2008)

Para el dise˜ no de la envolvente, ASHRAE define ocho zonas clim´aticas, caracterizadas por el comportamiento t´ermico anual, seg´ un los grados d´ıa de refrigeraci´on y de calefacci´ on (CDD10◦ C y HDD18◦ C) y el nivel de pluviosidad seg´ un Tabla 2.7. Las zonas clim´aticas correspondientes a las ciudades de Santiago (proyecto original), Concepci´ on y Antofagasta se entregan en Tabla 2.1.

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Santiago Antofagasta Concepci´ on

Zona Clim´ atica ASHRAE 4B, Clima mixto-seco 3C, Clima c´ alido-marino 4C, Clima mixto-marino

Tabla 2.1: Definici´ on de zonas clim´ aticas ASHRAE. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

H´ umedo (A): Localidades que no se clasifican como B o C. Seco (B): Climas no clasificados como C que cumplan con:

Pcm < 2,0 · (T C + 7) Donde Pcm :Precipitaci´ on anual, [cm] T C:Temperatura media anual, [◦ C] Marino (C): Localidades con las siguientes caracter´ısticas: • Temperatura media del mes m´ as fr´ıo entre −3◦ C y 18◦ C • Temperatura media del mes m´ as c´ alido < 22◦ C • Al menos cuatro meses con temperaturas media sobre 10◦ C • Temporada de verano seca. El mes de mayor precipitaci´ on en la temporada fr´ıa deber´ a tener al menos tres veces m´ as precipitaciones que el mes con menor precipitaci´on durante el resto del a˜ no.

Figura 2.7: Definici´ on de zonas clim´ aticas internacionales AHSRAE. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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2.3.

Edificio de referencia: Edificio Moneda, caracter´ısticas generales.

Se analiza en este trabajo el dise˜ no de un edificio para oficinas, que representa el est´ andar de c´ omo se construye actualmente en Chile. Se explic´ o anteriormente que los consumos presentan un alto nivel de dispersi´ on, mas se puede observar ciertas caracter´ısticas que est´ an presentes en pr´acticamente la mayor´ıa de las construcciones actuales. Este es el caso del proyecto Edificio Moneda, en etapa final de dise˜ no y pr´oximo a iniciar obra de construcci´ on. Actualmente se encuentra en an´ alisis de modificaci´ on del sistema de climatizaci´ on. Las caracter´ısticas de la edificaci´ on se simplificaron para poder realizar modelos m´ as representativos, de manera que el estudio se enfoca a las estrategias de dise˜ no y no en caracter´ısticas especiales de arquitectura. El edificio considera las siguientes caracter´ısticas:

Hormig´ on armado Muro cortina en fachada Equipo HVAC Chiller Fan-coil y resistencia el´ectrica Ventilaci´ on forzada Ocupaci´ on diurna El detalle de estos agentes se especifica en el cap´ıtulo siguiente, donde se profundiza las propiedades y conceptos asociados al consumo de energ´ıa de los distintos elementos presentes en las edificaciones.

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Cap´ıtulo 3

Conceptos y Metodolog´ıa ASHRAE 90.1-2007

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El presente cap´ıtulo contiene la conceptualizaci´ on y descripci´ on de los t´opicos tratados en el est´ andar, incluyendo la descripci´ on de la metodolog´ıa de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico (ap´endice G ((ASHRAE 90.1-2007))), utilizada como herramienta de an´ alisis en el presente trabajo. Se compone de dos temas principales: 1. Conceptos y Terminolog´ıa: Donde se entrega una breve descripci´on de la interacci´ on de la Envolvente (fachada), Iluminaci´on y Sistemas mec´ anicos dentro de una edificaci´ on. 2. M´ etodo de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´ etico: Tema donde se explica la herramienta de comparaci´ on utilizada, donde se calcula el porcentaje de ahorros energ´eticos del dise˜ no de un edificio, con respecto a una l´ınea base que representa una variaci´on del mismo modelo, pero cumpliendo al m´ınimo con los requisitos especificados en el est´ andar (ver Figura 3.1). Dicho m´etodo se basa en la comparaci´ on de consumos energ´eticos de dos modelos de simulaci´ on energ´etica.

Figura 3.1: Diagrama cap´ıtulo 3.

La bibliograf´ıa consultada se enfoc´ o en manual de usuario del est´ andar ((ASHRAE 90.1-2007)) (ASHRAE, 2008) y documentaci´ on de referencia ASHRAE’s Fundamentals Handbook (ASHRAE, 2009), donde se incluyen informaci´ on t´ecnica muy detallada relacionada con la industria de la construcci´ on, dise˜ no de edificaciones y la habitabilidad de estos.

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La normativa ASHRAE 90.1-2007 (2007) es un documento que entrega los requerimientos m´ınimos, de consumo eficiente de energ´ıa, asociados al dise˜ no integrado de un edificio. Este abarca las distintas especialidades involucradas en la realizaci´ on de una edificaci´ on, y que est´ an asociadas al consumo energ´etico durante la ocupaci´ on de ´esta. El est´ andar se desglosa en 12 secciones, de las cuales las secciones 1, 2, 3, 4 y 12 son de orden administrativo, en las que se entrega: prop´ osito, alcance, definiciones, abreviaciones, acr´onimos, administraci´ on, control y normativa referenciada del est´ andar. Las secciones 5 a 10 contienen los requerimientos t´ecnicos de las distintas componentes consideradas, mientras que la secci´ on 11 presenta una forma alternativa de cumplimiento con la norma. Los puntos tratados son:

1. Secci´ on 5. Envolvente: Secci´ on que trata la materialidad de la envolvente del edificio, incluidos elementos opacos y vidriados. 2. Secci´ on 6. Calefacci´ on, Ventilaci´ on y Aire Acondicionado: En esta secci´ on se cubren distintos sistemas HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioned ), equipamientos y sistemas de control. 3. Secci´ on 7. Servicio de Agua Caliente Sanitaria: Trata sistemas y equipamientos destinados a suministrar agua caliente. 4. Secci´ on 8. Potencia: Se aplica a los sistemas de distribuci´ on el´ectrica (potencia). 5. Secci´ on 9. Iluminaci´ on: Establece los requerimientos para sistemas de iluminaci´on interior, exterior y sistemas de control de estos. 6. Secci´ on 10. Otros Equipos: Trata cualquier otro equipamiento con motores el´ectricos. 7. Secci´ on 11. Coste Presupuestado de Energ´ıa (Energy Cost Budget Method ): Cap´ıtulo ´ que entrega una forma alternativa de cumplimiento con el est´ andar. Este especifica los requerimientos para desarrollar modelos computacionales que simulan el comportamiento energ´etico del dise˜ no propuesto y el de un dise˜ no hipot´etico del mismo edificio pero que cumple con las condiciones m´ınimas del est´ andar en cada uno de los sistemas tratados en las secciones 5 a 10. Se da cumplimiento con el est´ andar si se logra certificar consumos anuales menores a los presupuestados por el modelo hipot´etico.

Se adopta en este estudio la metodolog´ıa entregada en el ap´endice G del documento, (variaci´ on del Coste Presupuestado de Energ´ıa o Energy Cost Budget Method ) denominada Performance Rating Method. Este m´etodo posee diferencias con el ECB, principalmente en que es una herramienta enfocada para medir el nivel de eficiencia de un dise˜ no en comparaci´ on a un dise˜ no espec´ıfico que cumplir´ıa con el est´ andar, considerando todos los usos finales de la energ´ıa. La l´ınea base de este Departamento de Ingenier´ıa Civil

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m´etodo no depender´a de los sistemas considerados en el proyecto, si no solamente del tama˜ no y ocupaci´ on a la que estar´ a destinado el edificio.

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3.1.

Conceptos y Terminolog´ıa

Los conceptos y terminolog´ıa asociados al consumo de energ´ıa,considerados en el c´ odigo ASHRAE 90.1-2007, y que aplican al estudio se detallan a continuaci´ on:

3.1.1.

Envolvente

La envolvente se define como aquellos elementos de un edificio que separan los espacios interiores del exterior, entre los que se encuentran muros, ventanas, techumbre, losas sobre terreno, etc. A estos se suman tambi´en los elementos que separan los espacios interiores de zonas no acondicionadas (por ejemplo bodegas) donde podr´ıan ocurrir transferencias de calor desde o hacia el exterior indirectamente. La materialidad de la envolvente no presenta consumos energ´eticos asociados directamente, pero es uno de los factores m´ as influyentes en el dise˜ no de construcciones energ´eticamente eficientes. Esto se debe a la interacci´ on de la edificaci´ on con el ambiente exterior, mediante flujos t´ermicos a trav´es de su envolvente, afectando las condiciones interiores del edificio. Dicha interacci´ on es din´ amica y provocar´a variaciones en los diferentes consumos energ´eticos, principalmente a trav´es del sistema de climatizaci´ on (HVAC), sistema que balancear´ a la temperatura y los niveles de humedad interior para mantener una adecuada calidad del ambiente interior.

Figura 3.2: Imagen termogr´ afica y flujos de calor de edificaciones.(Science Photo)

Los conceptos, variables y propiedades f´ısicas que permiten una mejor comprensi´ on de la envolvente y como interact´ ua con el ambiente, se presentan a continuaci´ on:

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Cargas t´ ermicas: Consiste en la ganancia o p´erdida de calor al interior de los espacios del edificio. El dise˜ no de la envolvente deber´ a considerar tanto las cargas t´ermicas interiores como las exteriores. Las cargas exteriores corresponde a las ganancias o p´erdidas de calor debido a la interacci´ on del edificio con el ambiente, incluyendo: ganancias solares por radiaci´on, efectos de conducci´ on a trav´es de la superficie y niveles de infiltraci´on. Las cargas interiores son aquellas generadas dentro de los espacios, incluyendo: ganancias de calor debido a sistemas de iluminaci´ on, computadores y densidad ocupacional, entre otros. Se deber´ a considerar tambi´en como afectar´ an las caracter´ısticas de la superficie vidriada en los niveles de iluminaci´on natural, a las que se les asocia el consumo del sistema de iluminaci´ on.

Figura 3.3: Cargas Externas e Internas. (http://new-learn.info)

Superficies opacas: Superficies de la envolvente que no permiten el traspaso de luz al interior de los espacios, tales como: muros, techumbre y pisos. La caracterizaci´ on de estos elementos se basa en la capacidad de traspaso de calor por conducci´ on (transmitancia t´ermica) y efectos de amortiguamiento t´ermico en el tiempo (capacitancia o inercia t´ermica), los que depender´ an de la materialidad con que estos elementos est´en construidos.

Transmitancia t´ ermica (U-value): Corresponde al flujo unidireccional de calor por unidad de superficie, de un material o soluci´on constructiva, producido al inducir una diferencia de temperatura unitaria en ambos lados de la soluci´on. Este flujo es una simplificaci´ on estacionaria del flujo de calor, ya que en la realidad se observan comportamientos transientes a medida que el diferencial de temperaturas var´ıa.

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Figura 3.4: Flujo unidereccional. (http://new-learn.info)

El c´ alculo de la transmitancia t´ermica se obtiene mediante el inverso de la resistencia total (Rt ), la que corresponde a la suma en serie de las resistencias t´ermicas (Ri ) que presentar´ an las distintas capas de los elementos constructivos. La resistencia t´ermica de cada capa (Ri ) depender´a de la conductividad t´ermica (λi ) y el espesor (ei ) de cada material. Se deber´ a considerar tambi´en la resistencia t´ermica producida por las capas superficiales de aire estanco interior (Rsi ) y exterior (Rse ), cuyos valores depender´an principalmente de las condiciones de viento a las que est´ an sometidas dichas superficies. Dicho valor sin considerar capas de aire se denomina conductancia t´ermica (C-factor).

U=

1 Rt

=

1P Rs i+Rs e+ N i=1

ei λi

Superficies transparentes (fenestration): Se refiere a aquellos elementos que permiten el traspaso de luz hacia los espacios del edificio. Generalmente corresponde a ventanas y lucarnas, mas se considera tambi´en puertas vidriadas, bloques de vidrio y paneles pl´ asticos transparentes. Dependiendo de las caracter´ısticas de la zona clim´atica, las p´erdidas t´ermicas por conducci´ on pueden llegar a ser significativas en el dimensionamiento de los sistemas de clima. A trav´es de este tipo de superficies se tendr´ an flujos por conducci´ on (valor U) y se agrega la ganancia solar debido al traspaso de radiaci´on solar, que se caracteriza por el coeficiente de ganancia solar (SHGC).

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Controlar estas ganancias t´ermicas exteriores afectar´ a significativamente el consumo energ´etico, especialmente en el sector comercial, donde debido a las altas cargas interiores (ocupaci´ on y equipos computacionales) un valor elevado de ganancia solar puede llegar inclusive a no tener demanda de calefacci´ on en ´epocas de fr´ıo y muy elevados valores de cargas de refrigeraci´on en ´epocas de calor.

Coeficiente de Ganancia Solar (SHGC): Representa el porcentaje de ganancia solar por unidad de superficie que entra en un espacio en relaci´ on a la radiaci´on solar incidente. Esta ganancia solar considera tanto los efectos de radiaci´on solar transmitida directamente, como la absorbida y emitida por re-irradiaci´ on. Un cristal ideal que traspase el total de radiaci´on incidente tendr´ a un valor de 1, pero este valor es f´ısicamente imposible. Un cristal com´ un posee un valor aproximado de 0,86, mientras que existen cristales especialmente dise˜ nados llegando a valores bajo los 0,2.

Figura 3.5: Propiedades de superficies vidriadas. ( www.commercialwindows.umn.edu)

Transmitancia de luz visible (VLT): Corresponde a la fracci´ on del espectro de radiaci´on visible que traspasa una superficie transparente. Este factor es determina el nivel de iluminaci´ on natural que se obtendr´ a en la edificaci´ on. Este factor est´ a fuertemente relacionado con la ganancia solar (SHGC), mientras menor sea la transmitancia de luz visible, menor ser´ a tambi´en la ganancia solar.

Relaci´ on Ventana-Muro: Porcentaje de superficie transparente vertical con respecto al total de muros. La ganancia solar no necesariamente ser´ a mayor a medida que esta relaci´ on Departamento de Ingenier´ıa Civil

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aumente, depender´a de la orientaci´ on de la superficie vidriada, pero en general es un ´ındice al que, junto al coeficiente SHGC, se asocia la cantidad de radiaci´on que entra a los espacios.

Rutas de Cumplimiento El est´ andar ASHRAE 90.1 aplica a las componentes de la envolvente de los espacios acondicionados o semi-calefaccionados, siendo los requerimientos de estos u ´ltimos menos estrictos que los primeros. Un espacio acondicionado es aquel capacitado para mantener temperaturas adecuadas al confort humano. Para este c´ odigo se define como aquellas zonas con un sistema de refrigeraci´on cuya capacidad de fr´ıo instalada por unidad de superficie es superior a 15W/m2 (espacio refrigerado), o capacidad de calefacci´ on mayor a las entregadas en Tabla 3.1.

Heating output [w/m2 ] 15 30 45 60 75

Zona Clim´ atica ASHRAE 1y2 3 1y5 6y7 8

Tabla 3.1: Criterio para espacios calefaccionados.

Se considera tambi´en aquellas zonas indirectamente acondicionadas, sin climatizaci´ on pero adyacentes a otras, de manera tal que el producto de la transmitancia t´ermica y la superficie respectiva proveniente de zonas acondicionadas supere al producto respectivo hacia el exterior o zonas no acondicionadas. Generalmente las zonas de tr´ansito como los pasillos entran en esta categor´ıa. Los espacios semi-calefaccionado son aquellos con un sistema cuya capacidad en calefacci´ on es igual o superior a 10 W/m2 y menor a las entregadas en Tabla 3.1.

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Figura 3.6: Alcance de los Requerimientos de Envolvente, fuente:ASHRAE 90.1-2007 (2007)

En adici´ on a los requerimientos generales, el est´ andar contiene requerimientos obligatorios (ver Anexo A) que deber´ an satisfacerse cualesquiera se la ruta de cumplimiento optada. Estos incluyen requerimientos en la instalaci´ on de la aislaci´ on t´ermica, niveles de filtraci´ on y etiquetado de puertas y ventanas. Una vez cumplido lo anterior, se entregan 3 opciones o rutas de cumplimiento: La opci´ on prescriptiva de la envolvente La opci´ on de compensaci´on de envolvente La opci´ on del Coste Presupuestado de Energ´ıa (Energy Cost Budget Method ).

Figura 3.7: Rutas de cumplimiento de Envolvente

La opci´ on prescriptiva de envolvente entrega, para cada una de las 8 zonas clim´aticas (definidas por ASHRAE), los criterios m´ınimos de dise˜ no. Estos incluyen los niveles de aislaci´ on t´ermica para los elementos opacos tales como: techumbres, muros, y pisos. Para los elementos sobre nivel, el criterio de dise˜ no se expresa en transmitancia t´ermica m´ axima (valor U), o en su defecto por un valor de aislaci´ on t´ermica m´ınima (R), con esta segunda no ser´ a necesario realizar c´ alculos de transmitancia t´ermica de las soluciones constructivas.

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Se entrega tambi´en los criterios de dise˜ no para las superficies vidriadas (ventanas, puertas vidriadas, bloques de vidrio, paneles pl´ asticos y lucarnas). Este criterio depender´a, por ejemplo, del tipo de marco asociado para ventanas o del porcentaje vidriado de las lucarnas. El criterio para este tipo de elementos ser´ a limitando el coeficiente de ganancia solar (SHGC) y la transmitancia t´ermica (U-factor). Se limita tambi´en el porcentaje de ventanas a 40 % del total de superficie de muros y a un 5 % del total de superficie de techumbre en el caso de las lucarnas. Con la opci´ on prescriptiva, cada componente de la envolvente deber´ a cumplir por separado los requerimientos del est´ andar adjuntos en Tablas 3.2 a 3.9, aunque es posible realizar un c´ alculo especial que promedia el desempe˜ no de las superficies, permitiendo as´ı que algunas de ´estas no cumplan con los requerimientos siempre y cuando otras superficies tengan un alto desempe˜ no. Este c´ alculo es permitido para superficies que est´en dentro de la misma categor´ıa de uso de espacios y en el mismo tipo de construcci´ on. No se permite el c´ alculo ponderado de resistencias t´ermicas (R-value), solo se permite la ponderaci´on de valores de transmitancia t´ermica (U-factors), conductancia t´ermica (C-factors), y SHGCs. La opci´ on de compensaci´on de envolvente, entrega mayor flexibilidad al dise˜ nador, pudiendo relajar los requerimientos de comportamiento t´ermico de alguna componente de la envolvente, siempre y cuando el resto compense dicha falla. Los m´etodos de esta secci´ on se entregan en el ap´endice C del documento y quedan fuera del alcance de este estudio. La opci´ on del Coste Presupuestado de Energ´ıa (Energy Cost Budget Method ) engloba el c´ alculo del consumo energ´etico de la edificaci´ on por completo, considerando en el modelo el desempe˜ no de la envolvente. En este caso el incumplimiento de los requerimientos de la envolvente estar´ an compensadas por la implementaci´ on de sistemas de iluminaci´on ´o HVAC de mayor eficiencia.

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Tabla 3.2: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 1. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.3: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 2. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.4: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 3. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.5: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 4. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.6: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 5. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.7: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 6. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.8: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 7. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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Tabla 3.9: Requerimientos de Envolvente Zona Clim´ atica 8. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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3.1.2.

Sistema HVAC

El sistema de climatizaci´ on o sistema HVAC (proveniente de las siglas Heating, Ventilating and Air Conditioning), corresponde a aquel sistema que provee, ya sea colectiva o individualmente, los procesos de calefacci´ on, ventilaci´ on, y/o aire acondicionado; necesarios para mantener condiciones ambientales adecuadas dentro de un edificio. Existen numerosas opciones de mecanismos de calefacci´ on, ventilaci´ on y aire acondicionado, las que pueden diferir en pr´acticamente todo su funcionamiento. El dise˜ nador deber´ a seleccionar, bajo distintos criterios, el sistema HVAC con aquella combinaci´ on de mecanismos que mejor se adec´ ue a los objetivos y necesidades del proyecto, entre los que se encuentran: Requerimientos de temperatura, sobrepresi´on y humedad. Capacidad del sistema (tama˜ no). Costos de inversi´ on, operaci´on y mantenimiento. Seguridad y Confiabilidad. Consideraciones ambientales especiales: por ejemplo, pabell´ on quir´ urgico antibacterial. Una vez determinado los objetivos, la selecci´ on del (los) sistema (s) deber´ a basarse en las limitaciones propias de estos, tales como: capacidad t´ermica, tama˜ no y disponibilidad de espacio en el proyecto, restricciones arquitect´ onicas, etc. Muy pocos proyectos permiten una evaluaci´on cuantitativa del desempe˜ no de los diversos sistemas HVAC para un proyecto, y son seleccionados generalmente por las pr´acticas tradicionales, data hist´ orica y principalmente por la experiencia del dise˜ nador. Cargas T´ermicas y Selecci´ on del Sistema Las cargas t´ermicas de calefacci´ on y refrigeraci´on contribuyen al dimensionamiento y selecci´ on de los sistemas de climatizaci´ on, guiando a aquellos que sean capaces de suplir dichas cargas. Las condiciones de dise˜ no que determinan la capacidad depender´an de cada proyecto y del clima del lugar de emplazamiento. As´ı, para el dimensionamiento de los equipos de calefacci´ on se deber´ a compensar las p´erdidas t´ermicas del d´ıa m´ as fr´ıo sin considerar ganancia t´ermica interior alguna. Y en caso contrario, el sistema de aire acondicionado deber´ a ser capaz de compensar todas las ganancias t´ermicas en el d´ıa de mayor temperatura. El sistema HVAC se compone de dos subsistemas: el sistema primario y el sistema secundario. Se entiende por sistema primario a aqu´el que transforma la energ´ıa primaria (combustibles o electricidad) en un medio de calefacci´ on o refrigeraci´on. El sistema secundario, o de distribuci´ on, es aqu´el que distribuye la calefacci´ on, ventilaci´ on y aire acondicionado a los espacios dentro del

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edificio. A grandes rasgos, ambos sistemas ser´ an independientes, lo que permitir´ a la selecci´ on de un sistema de distribuci´ on sin depender del sistema primario seleccionado. Un sistema HVAC eficiente no necesariamente es aquel que considera equipos de alta eficiencia. La interacci´ on de las distintas componentes del sistema juega un rol m´ as importante en la eficiencia final. Particularmente, para los sistemas que sirven a m´ ultiples zonas, la eficiencia de los mecanismos de distribuci´ on de aire o agua y el control de estos puede llegar a ser uno de los factores determinantes en el consumo energ´etico. La eficiencia del desempe˜ no de un sistema HVAC (η) tambi´en denimonada CoP (de las siglas Coefficient of Performance se podr´a definir como las cargas con que el sistema primario deber´ a lidiar Ql (calefacci´ on y refrigeraci´on) dividido en la energ´ıa que este sistema consume E.

η=

Ql E

Un sistema eficiente minimizar´a la energ´ıa utilizada, ya sea disminuyendo las p´erdidas de distribuci´ on, aumentando el rendimiento de los equipos, y utilizando las denominadas free cooling o free heating a trav´es de la implementaci´ on de recuperadores de calor y economizadores. Los sistemas de alta eficiencia pueden llegar a valores de eficiencia superiores al 100 %, llegando incluso a valores por sobre el 600 % de eficiencia, este es el caso de los sistemas de volumen de refrigerante variable VRV, los que regulan la distribuci´ on de refrigerante seg´ un var´ıa la demanda en cada zona climatizada. Dise˜ no HVAC en Chile En Santiago el consumo en calefacci´ on y aire acondicionado en oficinas representan el 49 % del total anual (Cabrera & Sielfeld, 2008), lo que no se aleja de la tendencia mundial, donde junto con la iluminaci´on presentan los mayores consumos en este tipo de edificaciones. Ser´ a necesario agregar entonces a los criterios de dise˜ no de este tipo de sistemas, la eficiencia en el consumo de energ´ıa. Los sistemas de climatizaci´ on est´ an conformados por un sistema centralizado de aire acondicionado del tipo fancoil (distribuci´ on a volumen constante) y suministrado por enfriadores de agua (chiller ), que dependiendo de diversas carater´ısticas presentan valores de eficiencia entre 300 % (chillers enfriados por aire) y 600 % (chillers enfriados por agua).

Rutas de Cumplimiento Se entrega en el est´ andar tres rutas de cumplimiento las que se pueden observar en Figura 3.8.

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Figura 3.8: Rutas de cumplimiento de Sistema HVAC.

La ruta de aproximaci´ on simplificada se podr´a utilizar para sistemas relativamente peque˜ nos, asociados a edificios de mayor simplicidad. Se enfoca en reducir los tiempos invertidos en analizar el desempe˜ no de equipamientos que no presentar´ an variaciones muy altas en su consumo. La ruta prescriptiva podr´a ser utilizada por pr´acticamente cualquier tipo de sistema HVAC, pero est´ a primordialmente enfocada para ser utilizada en sistemas de mayor complejidad y relacionados con edificaciones mayores como es el caso del presente trabajo, tales como sistemas VAV o sistemas que consideran plantas centrales hidr´ onicas. Al igual que en la secci´ on anterior, el Coste Presupuestado de Energ´ıa (Energy Cost Budget Method ), est´ a dise˜ nado para demostrar el cumplimiento de sistemas que ciertamente no pudiesen estar incluidos en la ruta prescriptiva. Se permite incluir tambi´en compensaciones entre los desempe˜ nos del resto de sistemas mec´ anicos, como iluminaci´on, envolvente y otros, que en conjunto presenten consumos menores a los requeridos por la normativa en cuesti´ on. Los sistemas deber´ an cumplir con los requerimientos obligatorios, adjuntos en Anexo A, y que se refieren al etiquetado, puesta en marcha, sistemas de control, etc. La principal diferencia de esta secci´ on en relaci´ on al resto del documento, se presenta en que para cada componente mec´ anica se entregan los niveles de eficiencia (ver Anexo A) y por ende se acota a un desempe˜ no energ´etico m´ınimo cada elemento incluido en el dise˜ no del sistema HVAC. A modo de ejemplo, al dise˜ nar un sistema que considera un enfriador de agua o chiller, este deber´ a cumplir, dependiendo de su tama˜ no o capacidad t´ermica con los niveles de eficiencia considerados en Tabla 3.10. Se entrega para cada tipo de equipo, los niveles de eficiencia m´ınimos a cumplir en la ruta prescriptiva.

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Tabla 3.10: Requerimientos ASHRAE 90.1-2007 para enfriadores de agua.

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3.1.3.

Iluminaci´ on

Si bien los sistemas de iluminaci´on var´ıan de edificio en edificio, el consumo promedio de este tipo de sistemas para edificios comerciales se estima, para los Estados Unidos , en un 35 % del total anual. En el caso nacional, para Santiago se observa un consumo de 40 kW h/a˜ n o − m2 equivalentes a un 27 % del total anual (Cabrera & Sielfeld, 2008). Adem´ as del consumo directo asociado a iluminaci´on, tambi´en se deber´ a considerar el aporte de este en las ganancias de calor, las que aumentar´ an el consumo en aire acondicionado, que como se nombr´o anteriormente, tiene gran participaci´ on en el consumo total de un edificio para oficinas.

Figura 3.9: Sistema de iluminaci´ on en oficinas

Utilizar iluminaci´on de alta eficiencia y sistemas de control de iluminaci´on es la mejor manera de asegurar un consumo bajo en esta ´ area. Con un dise˜ no correcto se puede llegar a tener consumos menores, mejorando incluso los niveles de confort lum´ınicos. Por ejemplo, la implementaci´ on de las nuevas tecnolog´ıas, como tubos fluorescentes compactas T-8 con balasto electr´onico, entregan la misma cantidad de luz que un tubo fluorescente tradicional, pero consumiendo solamente dos tercios de la energ´ıa. An´ alogamente, las fuentes fluorescentes compactas llegan a niveles de eficiencia tres o cuatro veces mayores a los de luminarias incandescentes, de las que es sabido su bajo desempe˜ no energ´etico y alta producci´ on de calor. Conceptos y Densidad de Potencia Instalada (LPD) Los conceptos, terminolog´ıa y definiciones que permiten una mejor comprensi´ on de los sistemas de iluminaci´on se entregan a continuaci´ on: Flujo luminoso: Unidad de medida que cuantifica la potencia o caudal de energ´ıa de la Departamento de Ingenier´ıa Civil

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radiaci´on luminosa. Su unidad caracter´ıstica es el lumen (Lm). Ejemplos de flujo luminoso se entregan en Tabla 3.11. L´ ampara L´ ampara L´ ampara L´ ampara L´ ampara

incandescente 60W fluorescente 65 W blanco Hal´ ogena 1000 W de vapor de mercurio 125 W de sodio 1000 W

730 Lm 5100 Lm 22000 Lm 5600 Lm 120000 Lm

Tabla 3.11: Flujo luminoso seg´ un tipo de luminaria.

Iluminancia: Corresponde al flujo lum´ınico que llega a una superficie, su unidad de medida es el lux (lx), que corresponde a un lumen por metro cuadrado. Los niveles de iluminancia requeridos variar´an dependiendo de la actividad a realizar, es as´ı como para actividad de oficinas, se recomienda valores entre 300[lx] y 1000[lx], valores fuera de este rango provocar´an efectos negativos en el usuario, como encandilamiento o cansancio visual. Superficie Iluminada Bruta: Corresponde a la superficie total en planta (piso) de los espacios iluminados dentro del edificio. Este incluye subterr´ aneos, ´aticos, entrepisos y otros; siempre que ´estos tengan una altura superior a 2, 3[m]. El ´area bruta se mide desde las caras exteriores de los muros exteriores o desde el eje de muros colindantes medianeros. Se define tambi´en la superficie iluminada bruta interior, la que corresponde a la superficie iluminada bruta de cada espacio. Las superficies iluminadas se utilizan para el c´ alculo de las potencias instaladas en iluminaci´on por unidad de superficie o Lighting Power Densities (LPD). Balasto: Dispositivo utilizado en la mayor´ıa de las luminarias de descarga, entre las que se incluyen: fluorescentes, vapor de mercurio, hal´ ogenas met´alicas y de sodio presurizado. Al contrario de las luminarias incandescentes, las que utilizan la corriente el´ectrica para calentar filamentos de tungsteno para irradiar luz visible, las l´ amparas de descarga inducen un arco el´ectrico a trav´es de electrodos de un gas dentro de un tubo sellado, ioniz´ andolo y liberando electrones para la posterior generaci´ on de luz. Para la correcta operaci´on de estos sistemas, este arco el´ectrico deber´ a mantenerse a cierto nivel de voltaje y corriente el´ectrica. Esta es la funci´ on del balasto, el que tambi´en provee el voltaje necesario de partida al encender el sistema.

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Figura 3.10: Funcionamiento tubo fluorescente. http : //www.rohrlux.de

El balasto electr´ onico de alta frecuencia representa uno de los avances tecnol´ ogicos m´ as recientes, aumentando la eficiencia de sistemas en un 15 % a 20 % con respecto a su equivalente, el balasto magn´etico. El balasto electr´onico transforma la potencia entrante de 60[Hz] a una de mayor frecuencia que corresponder´ a a la de funcionamiento ´optimo del sistema de iluminaci´on. Otras ventajas del balasto electr´onico, por sobre los magn´eticos son: • En luminarias de alta descarga, la mayor precisi´ on del arco el´ectrico aumenta la vida u ´til y consistencia del color. • Al ser m´ as silenciosos y disminuir el parpadeo a niveles imperceptibles para el ser humano, los niveles de confort lum´ınico aumentan y cansancio visual disminuye • Disminuci´on de cableado el´ectrico debido a la posibilidad de operar en tres o cuatro l´ amparas a la vez con un solo dispositivo • Aumento de posibilidades de implementaci´ on de sistemas de control, incluyendo controles dimeables capaces de ajustar los de niveles de iluminaci´on. Eficacia: ´Indice de medida del rendimiento de una l´ ampara. Se expresa mediante el flujo luminoso entregado y la potencia consumida para producir dicho flujo. El valor te´ orico m´ aximo alcanzable con una conversi´ on de la energ´ıa a 555[nm] ser´ıa 638[lm/W ]. La eficacia de una luminaria se ver´ a afectada por diversos motivos, se distingue el aumento de la potencia instalada por necesidad de balastos y la disminuci´on de la luminancia por reflexiones y absorciones de luz dependiendo de la disposici´on espacial y caracter´ısticas propias de la instalaci´ on, tales como: difusores, reflectores, etc. Se considera tambi´en p´erdidas de eficacia debido a falta de mantenci´ on adecuada.

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Figura 3.11: Eficacia de los sistemas de iluminaci´ on seg´ un tecnolog´ıa. (ASHRAE, 2008)

´ Indice de Eficiencia Energ´ etica: ´Indice alternativo para cuantificar la eficiencia de un sistema de iluminaci´on es consumo para crear 100[lx] en una superficie unitaria. Se utiliza en la etapa de selecci´ on del tipo de sistema a especificar y se basa en dise˜ nos previos. Se adjunta en Tabla 3.12 diversos sistemas de iluminaci´on, donde se muestra la eficacia y el ´ındice [W ]/100[lx − m2 ].

Tabla 3.12: Eficiencia de sistemas de iluminaci´ on seg´ un tecnolog´ıa,(Bordoni, 2010)

Densidad de Potencia en Iluminaci´ on (LPD): De la sigla en ingl´es Lighting Power

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Density, la densidad de potencia instalada en iluminaci´on corresponde a la potencia instalada por unidad de superficie de todo el sistema de iluminaci´on artificial. Esta depender´a de la eficiencia de la tecnolog´ıa seleccionada (incluyendo p´erdidas por balastos, luminaria, etc.) y de los niveles de iluminancia adecuados al uso de los espacios respectivos. Es u ´til para obtener el consumo energ´etico por iluminaci´on, este depender´a de las horas anuales de uso y el sistema de control del sistema. Por ejemplo, para oficinas donde se requieren 500[lx], la densidad de potencia instalada ser´ a 5 veces el ´ındice [W/100lx−m2] del sistema o tecnolog´ıa seleccionado. Rutas de Cumplimiento El est´ andar incentiva el uso de luminarias eficientes mediante la asignaci´ on de potencias m´ aximas admisibles, tanto para sistemas de iluminaci´on interiores, como exteriores. Estos sistemas deber´ an cumplir los requerimientos por separado y no est´ a permitido realizar compensaciones entre ellos. Un espacio o edificio cumplir´ a con el est´ andar, si su potencia instalada en iluminaci´ on es menor a la permitida por el est´ andar sin importar el tipo de sistema propuesto, esto entrega mayor flexibilidad al dise˜ nador para especificar aquella luminaria que m´ as se adecue a los requerimientos de cada proyecto, alcanzando los niveles de iluminaci´on, pero asegurando consumos bajo el est´ andar. Se agrega tambi´en, requerimientos de sistemas de control autom´ aticos para prevenir el uso de las luminarias cuando no es necesario.

Figura 3.12: Rutas de cumplimiento de Sistema Iluminaci´ on.

En adici´ on a los requerimientos generales, el est´ andar contiene requerimientos obligatorios (Anexo A) que deber´ an satisfacerse cualesquiera sea la ruta de cumplimiento optada. Estos incluyen control autom´ atico de apagado, control en la iluminaci´on exterior, entre otros. Una vez cumplido lo anterior, se entregan tres opciones o rutas de cumplimiento: M´etodo del ´ area del edificio M´etodo Espacio por espacio Opci´ on del Coste Presupuestado de Energ´ıa (Energy Cost Budget Method ) Ambos m´etodos, del ´ area del edificio y espacio por espacio, forman parte de la ruta prescriptiva y especifican la densidad de potencia instalada en iluminaci´on, limitando- cualquiera sea el dise˜ no- a Departamento de Ingenier´ıa Civil

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estos valores. En el m´etodo del ´ area del edificio se asigna una LPD constante al conjunto completo, dependiendo del uso general de la estructura. El segundo m´etodo, menos sencillo, es el m´etodo espacio por espacio, el que en vez de asignar un valor u ´nico, define una densidad de potencia interior a cada sub-espacio dentro del edificio por separado. Requiriendo de mayor detalle y esfuerzo en la clasificaci´ on de los espacios en cuesti´ on, pero permite mayores valores que los asignados en el m´etodo del edificio completo. El tercer camino corresponde al Coste Presupuestado de Energ´ıa (Energy Cost Budget Method ), al igual que en la secci´ on anterior, es una alternativa de cumplimiento, donde se estima el desempe˜ no energ´etico del edificio completo. Se permite as´ı la compensaci´on de posibles faltas en el cumplimiento con los requerimientos prescriptivos de los sistemas de iluminaci´on, mediante la implementaci´ on de una envolvente o sistema HVAC de mejores prestaciones.

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Tabla 3.13: Ruta prescriptiva iluminaci´ on, m´etodo espacio por espacio. (ASHRAE 90.1-2007, 2007)

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3.2.

M´ etodo de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´ etico

El est´ andar entrega, en su ap´endice G, una forma para cuantificar el desempe˜ no de una edificaci´ on denominado M´etodo de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´etico (Building Performance Rating Method ). Es utilizada generalmente como base en programas de eficiencia energ´etica o construcci´ on sustentable (green buildings), en los que el consumo energ´etico y su impacto ambiental forman parte importante y esencial de los objetivos en un proyecto. La cuantificaci´ on del consumo energ´etico en el proceso de dise˜ no, es tambi´en a una herramienta que facilita la selecci´ on de sistemas m´ as adecuados, optimizando el desempe˜ no energ´etico en funci´ on de las restricciones propias de cada edificio. La secci´ on 11 del est´ andar (Energy Cost Budget Method ) tiene por objetivo entregar un procedimiento alternativo de cumplimiento con el c´ odigo 90.1, mediante la cuantificaci´ on del desempe˜ no total de un proyecto. Entregando mayor flexibilidad al dise˜ nador al considerar compensaciones (trade off ) entre los distintos sistemas. Los requerimientos de los modelos est´ an enfocados para compararse con un dise˜ no que cumple con los niveles m´ınimos del est´ andar. Por ejemplo, de tener un sistema de calefacci´ on basado en una bomba de calor, el modelo base tendr´ a el mismo sistema pero con una bomba con un CoP m´ınimo exigido para este tipo de mecanismos. Las posibilidades de compensaci´on, sin embargo, est´ an algo limitadas al dise˜ no propuesto y al cumplimiento m´ınimo del est´ andar, se podr´a entregar otra metodolog´ıa con mayor flexibilidad si es que se desea cuantificar un dise˜ no de alto nivel de eficiencia energ´etica. Este es el prop´ osito del M´etodo de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´etico (Building Performance Rating Method ), en el que se establece la l´ınea base para el consumo total del edificio y poder calcular as´ı el porcentaje de mejora que presenta alg´ un dise˜ no propuesto por sobre dicha l´ınea base. Este m´etodo es una modificaci´ on del ECB, dise˜ nado para cuantificar proyectos que superen substancialmente los niveles del est´ andar. Se considera en esta metodolog´ıa otros aspectos del dise˜ no, tales como: orientaci´ on, ventilaci´ on natural, iluminaci´on natural, selecci´ on de sistema de climatizaci´ on adecuado, entre otros. Se utiliza un programa computacional para calcular los consumos anuales de operaci´on de dos modelos: el edificio propuesto y el edificio l´ınea base. El dise˜ no de la l´ınea base, que es una variaci´on del edificio propuesto, cumple con todos los requerimientos prescriptivos y obligatorios del est´ andar. Es decir, la l´ınea base representa al edificio como si estuviese cumpliendo exactamente con el est´ andar. A pesar del margen de consumo entre ambos modelos, el dise˜ no propuesto deber´ a especificar el cumplimiento de todos los requerimientos obligatorios de cada secci´ on, descritos con anterioridad y adjuntos en Anexo A. Dichos requerimientos son necesarios por diversos motivos, entre los que destaca la correcta instalaci´ on y rotulado de los sistemas; adem´ as de algunas restricciones especiales Departamento de Ingenier´ıa Civil

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de dise˜ no, como lo es la iluminaci´on exterior. Calculando el porcentaje de mejoras El M´etodo de Cuentificagi´ on del Desempe˜ no Energ´etico (BPR) involucra la comparaci´ on del dise˜ no propuesto con su l´ınea base, calculando las mejoras en funci´ on del porcentaje de ahorro. El ap´endice G permite al dise˜ nador basar estos ahorros en t´erminos de la energ´ıa (kW h/a˜ no), o en t´erminos de los costos ($/a˜ no). De utilizar los costos energ´eticos o monetarios, estos deber´ an ser calculados de manera consistente y adecuada para realizar una correcta comparaci´ on. Se deber´ a cumplir con las siguientes reglas: Ambas simulaciones deber´ an utilizar el mismo software. Ambas simulaciones deber´ an utilizar la misma base de datos clim´atica. Ambas simulaciones deber´ an utilizar igual tarifa energ´etica. Ambas simulaciones deber´ an utilizar id´entica programaci´ on horaria de uso, a excepci´ on de ajustes necesarios para calcular medidas de eficiencia especiales. Una vez obtenidos los consumos o costos energ´eticos, el porcentaje de mejora se calcula mediante la siguiente f´ormula: %mejora = 100 ·

desempe˜ noedif iciolineabase−desempe˜ noedif iciopropuesto desempe˜ noedif iciolineabase

Debido a la importancia del programa de simulaci´ on energ´etica en este m´etodo, se establecen ciertos requerimientos a las capacidades del software utilizado. Entre estas se encuentran requerimientos desde lo m´ as b´asico, como la de poder modelar los t´opicos energ´eticos tratados en el c´ odigo; hasta lo m´ as espec´ıfico, entre lo que se encuentran: Capacidad de simular una base m´ınima de 8760 hrs seguidas (un a˜ no). Programas que representen d´ıas t´ıpicos no son aptos para este an´ alisis. Sistemas y cargas t´ermicas interiores deber´ an tener variaci´on horaria, y su interacci´ on deber´ a influir en el desempe˜ no energ´etico. El programa deber´ a ser capaz de modelar variaciones horarias (semanal, fin de semana y vacaciones) para ocupaci´ on, iluminaci´on y equipos, configuraci´ on de termostatos y funcionamiento del sistema HVAC. La inercia o masa t´ermica afecta el tiempo y magnitud de las cargas que debe suplir el sistema HVAC. El programa deber´ a ser capaz de modelar efectos de inercia t´ermica dependiendo de la materialidad de los elementos constructivos. El programa deber´ a ser capaz de simular como m´ınimo 10 zonas t´ermicas. Departamento de Ingenier´ıa Civil

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El sistema mec´ anico suele operar por debajo de las condiciones de dise˜ no, es por esto que el programa deber´ a ser capaz de modelar equipamiento bajo una variedad de condiciones t´ermicas y de carga. La implementaci´ on de economizadores para refrigeraci´on (free cooling) es un t´opico importante en los consumos de edificaciones y est´ a considerado en la l´ınea base. El programa deber´ a ser capaz de modelar economizadores de aire con sistemas de control integrado, permitiendo el funcionamiento para disminuir las cargas de aire acondicionado incluso cuando el sistema de aire acondicionado est´e en funcionamiento. Se deber´ a considerar tambi´en el dimensionamiento de la capacidad del sistema HVAC y flujos de agua y aire m´ınimos para ambos modelos. Los c´ alculos podr´an basarse en c´ odigos de ingenier´ıa normalmente aceptados. El dimensionamiento es necesario para asegurar el correcto funcionamiento del sistema HVAC de la l´ınea base, para poder hacer una comparaci´ on adecuada de ambos sistemas, estos deber´ an dimensionarse seg´ un el comportamiento espec´ıfico de cada modelo y no necesariamente basado en el modelo propuesto. La base de datos clim´atica de la localidad deber´ a incluir valores representativos horarios de todos los par´ ametros necesarios, tales como: temperatura, humedad, radiaci´on directa. Tambi´en se podr´a incluir variaci´ on del viento, nubosidad, etc. Clasificaci´ on de uso de Espacios y Programaci´ on Un t´opico clave en el modelo del dise˜ no propuesto, es la asignaci´ on de un tipo de uso de cada ´ espacio del edificio. Esta es utilizada para la determinaci´on de la potencia instalada en iluminaci´ on de la l´ınea base y diferenciar ´ areas que difieran en la operaci´on del espacio, o caracter´ısticas (configuraci´on de termostato, tasa de ventilaci´ on, etc). Las opciones de clasificaci´ on de espacios se obtienen de alguna de las dos tablas entregadas en las metodolog´ıas de la secci´ on de iluminaci´on del est´ andar: ´area del edificio (building area method ) y espapcio por espacio space by space method ), las que est´ an pensadas para crear una clasificaci´ on de los espacios seg´ un el uso ´para el que est´ an destinados. El especialista de iluminaci´ on podr´a seleccionar una de esta dos opciones de clasificaci´ on, y no podr´an mezclarlas. En este estudio se considera el segundo m´etodo como se observa en 3.13. La ocupaci´ on y operaci´on de los edificios es otro factor importante en el desempe˜ no energ´etico. El ap´endice G permite al dise˜ nador seleccionar una programaci´ on razonable de operaci´on del edificio, entre las que se deber´ an especificar programaci´ on de ocupaci´ on para d´ıas de semana, fin de semana y vacaciones; para los siguientes t´opicos:

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Ocupaci´ on Iluminaci´ on Operaci´on Sistema HVAC, incluyendo ventiladores y operaci´on fuera de horario. Otro tipo equipos o cargas que posiblemente afecte los c´ alculos, incluyendo ventilaci´ on de estacionamientos, iluminaci´on exterior, etc. Las programaciones de uso definidas en la simulaci´ on son u ´tiles para determinar el comportamiento de las cargas t´ermicas y otras condiciones. La informaci´ on de la programaci´ on diaria podr´a incluir informaci´ on como: nivel de ocupaci´ on, configuraci´ on de temperaturas interiores, porcentaje de ocupaci´ on de equipos, etc. Mientras el dimensionamiento de los sistemas mec´ anicos se basa en el peor escenario, los valores de las programaciones deber´ an estimarse para un uso normal y utilizando supuestos realistas basados en la ocupaci´ on del edificio. La programaci´ on de uso deber´ a ser igual en ambos modelos (propuesto y base), pudiendo modificarse en el dise˜ no propuesto para cuantificar ciertas medidas de eficiencia. Por ejemplo, la implementaci´ on de sistemas de agua caliente sanitaria con suministro energ´etico renovable no convencionales se podr´a modelar con la disminuci´on en la demanda del sistema auxiliar. Y por ende, programaciones diferentes en la demanda de agua para ambos modelos. En resumen, el m´etodo Performance Rating Method se basa en la creaci´ on de un modelo computacional que representa la propuesta de dise˜ no, considerando materialidad de envolvente y sistemas mec´ anicos; asociados al consumo del edificio. Este modelo se compara con una l´ınea base an´ aloga, id´entica al modelo propuesto, pero variando las caracter´ısticas, de manera que se cumpla exactamente con el c´ odigo 90.1 − 2007. Los requerimientos de los modelos propuesto y l´ınea base, aplicables en cada secci´ on se detallan a continuaci´ on. Se agrega la comparaci´ on de dichos requerimientos con los del dise˜ no tradicional, con los que se obtiene la estimaci´ on del nivel de consumo energ´etico en el que se encuentra el dise˜ no tradicional.

3.2.1.

Requerimientos de Envolvente

Modelos de Dise˜ no Propuesto y L´ınea Base La regla principal para el modelo de la envolvente del dise˜ no propuesto, es basarse en los documentos de arquitectura, incluyendo la forma del edificio, dimensiones, orientaciones, superficies opacas, vidriamiento, etc. Se podr´a realizar simplificaciones, entre las que se encuentran:

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Elementos no aislados t´ermicamente, como: proyecci´ on de balcones, vigas perimetrales de losas entre pisos o vigas intermedias sobresalientes, podr´an modelarse por separado u homologar la implicancia de estos en el valor U de cada elemento. Superficies exteriores cuyo azimut difiera en menos de 45◦ , podr´an ser consideradas con igual orientaci´ on. La techumbre exterior deber´ a tener une reflectancia de 0, 3, pudiendo aumentarla a 0, 45 siempre que se certifique un valor superior a 0, 7 y emitancia de 0, 75 o SRI de 82. Sistemas de sombreamiento podr´an modelarse certificando que estos sean controlados con dispositivos autom´ aticos, por ejemplo: protecciones solares controladas autom´ aticamente ´ o protecciones exteriores permanentes (voladizos, aletas, etc). Cada componente para la envolvente de la l´ınea base se basar´ a en dimensiones equivalentes a las del dise˜ no propuesto, es decir, la superficie exterior de muros, techos y pisos deber´ a ser id´entica en ambos modelos. Se modela cada elemento con las restricciones prescriptivas seg´ un la zona clim´atica respectiva. El estudio enfatiza este punto, debido a que las condiciones de borde de la envolvente depender´ an de la zona clim´atica del proyecto. Dando raz´on a los objetivos del presente trabajo, analizando el desempe˜ no energ´etico en distintas zonas clim´aticas sobre la base de restricciones, o condiciones de borde dadas por ASHRAE y presentes en esta metodolog´ıa. Las consideraciones son las siguientes: Orientaci´ on y Forma El desempe˜ no de la l´ınea base se obtiene promediando el consumo del edificio en su posici´on inicial y rotando en 90◦ ,180◦ y 270◦ sin considerar sombreamiento propio. El modelo propuesto, en cambio, considera el efecto de sombreamiento propio y s´ olo su orientaci´ on real. Se da cr´edito as´ı, a aquellos dise˜ nos que privilegian la orientaci´ on y forma, que produzca disminuciones en las cargas t´ermicas, y por ende, consumos del sistema HVAC menores.

Elementos Opacos La l´ınea base asume ser construida de estructuras livianas sin efectos de inercia t´ermica, independientemente del dise˜ no propuesto. Si en la propuesta se considera construcci´ on con masa t´ermica que mejora el comportamiento t´ermico durante el d´ıa, se dar´ a cr´edito al compararlo con elementos de construcciones livianas sin dicho efecto. Este es el caso de la l´ınea base la que deber´ a cumplir con los requerimientos prescriptivos del est´ andar con los siguientes tipos de construcci´ on:

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• Techumbre tipo aislaci´ on continua sobre losa. • Muros construcci´ on liviana de acero. • Pisos tipo Steel Joist. La transmitancia (valor U) de la l´ınea base se ajustan a los valores l´ımite requeridos seg´ un cada zona clim´atica, especificados en tablas 3.2 a 3.9 del est´ andar. Este m´etodo se diferencia del ECB, donde la envolvente depende totalmente de la propuesta de dise˜ no inclusive manteniendo su masa t´ermica. La l´ınea base en cambio, ser´ a siempre de las mismas caracter´ısticas y de baja inercia t´ermica, donde se observar´ a una gran capacidad de absorber o disipar la energ´ıa sin capacidad de acumulaci´ on ni desfase de peaks t´ermicos.

Elementos transparentes El porcentaje de superficie vidriada deber´ a ser igual al dise˜ no propuesto ´o un 40 % del total de muros, el menor de estos valores. De presentar valores mayores a 40 %, se deber´ a disminuir la superficie de ventanas proporcionalmente hasta lograr este valor, manteniendo as´ı la distribuci´ on de los cristales asignados seg´ un el dise˜ no real. La transmitancia (valor U) y ganancia solar (SHGC) de la l´ınea base se ajustan a los valores l´ımite requeridos seg´ un cada zona clim´atica, especificados en Tablas 3.2 a 3.9. Se define as´ı, las caracter´ısticas de la envolvente y que definir´a en conjunto con la ocupaci´ on, cargas internas y otros; el comportamiento t´ermico y los consumos energ´eticos anuales de la l´ınea base del edificio.

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3.2.2.

Requerimientos de Sistema HVAC

El m´etodo BPR est´ a enfocado bajo el supuesto que el edificio posee un sistema mec´ anico de calefacci´ on y refrigeraci´on. Incluso si no existe uno de estos sistemas en el dise˜ no propuesto, se deber´ a asumir modelar el elemento faltante de igual forma que la l´ınea base. Asegurando as´ı que las simulaciones est´ an suministrando tanto calefacci´ on como refrigeraci´on a los espacios. Lo anterior est´ a especificado para realizar comparaciones adecuadas en el consumo energ´etico final de ambos sistemas HVAC para la misma cantidad de espacios. Modelo de Sistemas Dise˜ no Propuesto y L´ınea Base El sistema HVAC del dise˜ no propuesto deber´ a ser aquel que se entrega en la documentaci´ on y planimetr´ıa de la especialidad de climatizaci´ on. Esto incluye el tipo de sistema, capacidades t´ermicas, eficiencias, control y sistemas secundarios (como economizadores), etc. La eficiencia podr´a ajustarse para alcanzar los requerimientos del software de simulaci´ on. Mientras la eficiencia de un sistema puede ser especificada los m´ as detalladamente posible, generalmente los programas de simulaci´ on requieren de la informaci´ on del desempe˜ no de los elementos del sistema, bajo condiciones estandarizadas. El sistema HVAC de la l´ınea base est´ a definido en base al tama˜ no del edificio propuesto, el n´ umero de pisos y el tipo de uso para el que est´ a proyectado (residencial y no-residendicial). En contrates a la secci´ on 11, donde el sistema HVAC se determina principalmente en base al sistema HVAC propuesto; el sistema base del ap´endice G, es totalmente independiente, excepto por caracter´ısticas generales del edificio propuesto (uso y fuente de energ´ıa). La mayor´ıa de los elementos son tambi´en independientes del dise˜ no propuesto, tales como: Potencia de vetiladores, tipo y n´ umero de calderas y enfriadores de agua (chiller ), torres de enfriamiento, temperaturas de suministro para aire, agua fr´ıa y agua caliente, etc. Definiendo el sistema HVAC base independientemente del propuesto, permite al dise˜ nador ganar cr´editos por la selecci´ on adecuada de sistemas HVAC, que muestren un mejor desempe˜ no energ´etico. El sistema de la l´ınea base designado para el edificio en estudio, no residencial mayor a 14000 m2 ,

se denomina: Volumen de aire variable con caja de ventiladores paralelos (VAV with PFP

boxes). Siendo el tipo de sistema secundario principal con un ventilador de volumen de aire variable acondicionado con una caja mezcladora con ventiladores en paralelo para cada zona. El sistema de aire acondicionado se compone por una planta enfriadora de agua (chilled water ) y calefacci´ on en base a resistencia el´ectrica en cada zona. Se muestra en figura 3.13, la configuraci´ on de un sistema VAV con diferentes tipos de unidades terminales. El sistema de la l´ınea base corresponde al la segunda opci´ on Parallel Inlet Unit o Unidad terminal paralela (PFP).

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Figura 3.13: Esquema de Sistema HVAC VAV con unidades terminales.

Requerimientos Generales de Sistema HVAC Los requerimientos generales, una vez determinados los sistemas de los modelos, son: Eficiencia y Capacidades de Equipamiento Las eficiencias m´ınimas del sistema HVAC deber´ an ser las correspondientes al dise˜ no de la l´ınea base. Esto incluye, de ser especificada, cualquier eficiencia en carga parcial. Dicha eficiencia define el desempe˜ no de los sistemas de la l´ınea base. Muchos equipamientos tienen considerados en sus eficiencias el consumo de los ventiladores de distribuci´ on, de ser as´ı se deber´ a desglosar y separar el mecanismo de distribuci´ on de los ventiladores de suministro de aire. Suele entregarse por parte de los fabricantes de sistemas HVAC, una variedad de par´ ametros que ayudan en la determinaci´on del coeficiente de desempe˜ no CoP, la cantidad de energ´ıa por unidad de energ´ıa de entrada al sistema de refrigeraci´on. Este desempe˜ no es funci´ on de la tasa de suministro de aire, temperatura exterior, y temperatura del aire entrante al sistema y loop de fr´ıo. En general los software de simulaci´ on requieren del CoP bajo condiciones de Departamento de Ingenier´ıa Civil

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ensayo estandarizadas. El dimensionamiento de los equipos tambi´en tiene un alto impacto en los consumos, dependiendo del funcionamiento a carga parcial del sistema, este variar´a sus consumos en funci´ on del porcentaje al que suele trabajar. El m´etodo del ap´endice G, regula este dimensionamiento, de manera tal que sea adecuado y equivalente al dise˜ no propuesto en su funcionamiento. Evitando adem´ as, comparaciones err´ oneas que intencionalmente puedan beneficiar el porcentaje de mejoras. La regla de dimensionamiento del equipo HVAC de la l´ınea base se determina por separado para cada orientaci´ on, y la capacidad peak de fr´ıo se dimensiona con un 15 % de sobredimensionamiento. En el caso de calefacci´ on se considera un 25 % de sobredimensionamiento. Para verificar que la l´ınea base y el dise˜ no propuesto tienen tama˜ nos de quipos razonables, se deber´ a chequear las horas en que ambos sistemas no son capaces de cumplir con las cargas t´ermicas. Estas horas de no cumplimiento son un buen indicador de posibles errores en el dimensionamiento. Se considera adecuado el funcionamiento de ambos sistemas HVAC, si se satisfacen las siguientes condiciones: • Las horas de no-cumplimiento de ambos modelos no deber´ a ser superior a 300[hrs] al a˜ no. De no cumplirse, se deber´ a incrementar la capacidad del modelo, de manera tal de cumplir con las 300[hrs]. • Segundo, las horas de no cumplimiento del modelo propuesto no podr´a exceder en, m´ as de 50[hrs], a las horas de no cumplimiento de la l´ınea base. De no cumplirse lo anterior se deber´ a aumentar la capacidad de la l´ınea base proporcionalmente hasta cumplir dicho requisito. Operaci´ on de Ventiladores Se estipula que ventiladores de suministro y retorno deber´ an tener operaci´on continua, siempre que exista ocupaci´ on y ciclar (encendido y apagado) fuera de dicho horario, para cumplir cargas de calefacci´ on y refrigeraci´on. Esto entrega una operaci´on continua de los ventiladores ciclando s´ olo cuando no exista operaci´on. La cantidad de aire que se suple a los espacios en la l´ınea base, est´ a basada en una diferencia de temperaturas de aire al espacio de 11[◦ C], o la cantidad m´ınima de ventilaci´ on, o aire mezclado, la mayor de las anteriores. Si el espacio est´ a dise˜ nado a 24[◦ C], entonces la entrada de aire entregado se supone de 13[◦ C] y con este valor se cuantifica la tasa de aire inyectado.

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El volumen de aire inyectado en el modelo propuesto podr´a entonces ser superior o menor al de la l´ınea base. Esto permite al dise˜ nador ganar cr´editos por especificar tasas de aire a temperaturas que optimicen el consumo energ´etico y as´ı disminuir el consumo de ventiladores.

De especificarse ventiladores de retorno o alivio en el dise˜ no propuesto, la l´ınea base tambi´en ´ deber´ a considerarlos en su modelo. Estos deber´ an dimensionarse para la cantidad de aire suministrada al espacio menos el aire m´ınimo exterior, ´o para el 90 % del volumen suministrado. Ventiladores de suministro, retorno, exhausto o alivio; est´ an dimensionados seg´ un la f´ormula siguiente:

Pf an = kW i ·

1000 F anM otorEf iciency

Donde: Pf an = potenciaventilador(W atts) kW i = Ls ∗ 0,0015 + A, sistemas 3 − 4 volumen constante kW i = Ls ∗ 0,0021 + A, sistemas 5 − 8 volumen variable A = ajustedeca´idadepresi´ onseg´ un 3.14

Tabla 3.14: Ajuste de Ca´ıda de Presi´ on ventiladores. (ASHRAE 90.1-2007, 2007).

Para ventiladores en cajas paralelas PFP de sistemas VAV, ´estos se dimensionan para el 50 % de su flujo peak de dise˜ no, y se modelan para una potencia de 0,74W/(L/s). El flujo m´ınimo de configuraci´ on deber´ a ser el 30 % del flujo peak de dise˜ no o´ la tasa requerida para cumplir Departamento de Ingenier´ıa Civil

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aire exterior m´ınimo, la mayor de ´estas.

Ventilaci´ on y Economizadores La ventilaci´ on de espacios puede llegar a ser parte importante del consumo anual, pero no est´ a considerado como oportunidad de ahorro energ´etico en este m´etodo. La tasa m´ınima de ventilaci´ on del dise˜ no propuesto ser´ an iguales en la l´ınea base. En otras palabras, la tasa de ventilaci´ on es energ´eticamente neutral en ambos modelos. El sistema considera el uso de economizadores de aire, los que suministran aire exterior para ayudar en la refrigeraci´on o calefacci´ on de espacios. Estos deber´ an tener l´ımites de funcionamiento, de manera tal que se permita la entrada de aire exterior m´ınimo cuando la temperatura exceda, en este caso, los 24[◦ C].

Tipo y Cantidad de Chillers El tipo de unidades enfriadoras de agua, com´ unmente conocidas como chillers depender´ an de la carga peak de fr´ıo de la l´ınea base, la que es diferente a la del modelo propuesto. Si el edificio requiere una capacidad menor o igual a 1114 kW (300 tonr), entonces corresponder´ a un chiller de tornillo, enfriado por agua. Para cargas entre 1114kW y 2229(600tonr)kW , entonces se especificar´ an dos chillers tipo tornillo, enfriados por agua, de igual capacidad. Para cargas superiores a 2229kW , se deber´ a especificar dos o m´ as chillers del tipo centr´ıfugo, de manera que ninguno sea superior a 2813kW La temperatura de funcionamiento del chiller se modela para un suministro a 6, 7[◦ C] y retorno de 13[◦ C]. La temperatura deber´ a resetearse bas´ andose en las condiciones exteriores de temperatura del aire, como sigue: 7[◦ C] para temperaturas superiores a 27[◦ C], 12[◦ C] para temperaturas de 16[◦ C] y menos, y ajuste lineal para temperaturas entre 16[◦ C] y 27[◦ C]. La temperatura de suministro de aire se debe setar en 2, 3[◦ C] por sobre las condiciones m´ınimas de dise˜ no. El sistema de suministro deber´ a considerar un desempe˜ no de carga parcial con las caracter´ısticas de cualesquiera de los siguientes m´etodos: Data a carga parcial o Ecuaci´ on de carga parcial.(ver Figura 3.15)

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Tabla 3.15: Funcionamiento carga parcial ventiladores VAV.

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3.2.3.

Requerimientos de Iluminaci´ on

Modelos de dise˜ no propuesto y l´ınea base El m´etodo basa la cuantificaci´ on de los consumos de iluminaci´on, en las rutas y clasificaci´ on de espacios entregados en la secci´ on respectiva. De existir documentaci´ on de un dise˜ no completo de iluminaci´on, se deber´ a modelar la potencia instalada de acuerdo a dicha informaci´ on. En casos especiales donde no exista una densidad de potencia definida en el proyecto (proyectos tipo Core and Shell), se deber´ a completar por una densidad de potencia definida por defecto, por la metodolog´ıa del ´ area del edificio. La densidad de potencia incluye todos los dispositivos dise˜ nados para iluminaci´on, sistemas permanentes y port´ atiles, incluyendo luminaria especial de escritorios y decorativas. La densidad de potencia interior de la l´ınea base se determina utilizando los valores admisibles de cualquiera de los dos m´etodos del est´ andar. La categorizaci´on de los espacios deber´ a ser id´entica en ambos modelos. La potencia especificada corresponder´ a a la resultante para cada bloque t´ermico. Sistemas de Control Autom´ atico La normativa requiere de sistema de control de apagado autom´ atico, esto se incluye en ambos modelos mediante la programaci´ on de uso diario. No se considera m´ as sistemas de control en la l´ınea base, debido a que la programaci´ on de uso anual se modela bas´ andose en los requerimientos obligatorios. La cuantificaci´ on del aporte de cierto tipo de control autom´ atico, se logra disminuyendo la potencia instalada por los factores entregados en Tabla 3.16. S´olo se podr´a considerar un sistema de control por espacio y la variaci´ on depender´a del tama˜ no de la zona y horas de operaci´on. Otro sistema de control, no considerado en esta metodolog´ıa podr´a modelarse ajustando la programaci´ on de uso u otra forma, entregando informaci´ on adecuada y debidamente justificadas.

Tabla 3.16: Factor de ajuste sistemas de control de iluminaci´ on.

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Control autom´ atico mediante sensores de iluminaci´on natural no se incluyen en la l´ınea base, pero podr´an modelarse en el dise˜ no propuesto. Idealmente estos controles se deber´ an analizar mediante software de c´ alculo y an´ alisis din´ amico, que contenga algoritmos para obtener el nivel de iluminaci´on natural durante el a˜ no.

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Cap´ıtulo 4

An´ alisis Dise˜ no Tradicional

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El presente cap´ıtulo aborda el consumo energ´etico del dise˜ no tradicional y su respectiva l´ınea base, seg´ un metodolog´ıa de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico del ap´endice G ((ASHRAE 90.1-2007)). Se compone de dos temas principales: Caracterizaci´ on de modelos y An´ alisis de dise˜ no tradicional (ver Figura 4.1).

Figura 4.1: Diagrama cap´ıtulo 4.

1. La caracterizaci´ on de modelos aborda las propiedades y otras consideraciones necesarias en los modelos de simulaci´ on energ´etica. Donde se incluyen las caracter´ısticas de envolvente, iluminaci´on y sistema HVAC; adem´ as de los supuestos de ocupaci´ on tomados para los modelos de simulaci´ on energ´etica, para el Edificio Moneda (dise˜ no tradicional) y su l´ınea base para cada zona clim´atica en cuesti´ on. 2. Debido a consumos superiores a los de la l´ınea base, que indican un diagn´ostico ineficiente; se agrega el estudio el an´ alisis del comportamiento energ´etico. Reconociendo las causantes de consumos elevados, entre las que se encuentran: iluminaci´ on ineficiente, falta de sistemas de control y alta ganancia solar a trav´es de fachada vidriada.

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4.1.

Caracter´ısticas de Modelos: Edificio Tradicional y L´ınea Base

El proyecto moneda, emplazado en el centro de Santiago, est´ a destinado a ocupaci´ on de oficinas. Se compone de 21 niveles y 5 subterr´ aneos, con una superficie total de 17025 m2 y 6232 m2 respectivamente, donde: Niveles primero y segundo se destinan a comercio y hall de entrada (doble altura). La superficie se desglosa en 1648 m2 modelados como comercio y 134 m2 sin ocupaci´ on (zona de escaleras y ascensores) Los niveles tercero a veintiunavo se proyecta como plantas libres, sin divisiones interiores, que permiten al ocupante disponer libremente del espacio. El proyecto presenta 2 plantas tipo: Pisos 3 al 11 con 839 m2 y pisos 12 al 21 con 657 m2 (64 m2 y 67 m2 sin ocupaci´ on respectivamente). La zonificaci´on de cada planta se adec´ ua a los requerimientos del ap´endice G, formando una franja de 5 m desde el per´ımetro exterior (ver Figuras 4.2 y 4.3 ).

Figura 4.2: Zonificaci´ on de modelo, Planta tipo 3 a 11.

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Figura 4.3: Zonificaci´ on de modelo, Planta tipo 12 a 21.

Subterr´ aneos s´ olo se considera para c´ alculos de ventilaci´ on e iluminaci´on. La Superficie total corresponde a 5772 m2 y 341 m2 sin ocupaci´ on (zona de escaleras y ascensores). El resumen de superficies del proyecto se entrega en Tabla 4.1. La mayor parte del edificio se modela como espacios libres, sin divisiones y zonificados de acuerdo a metodolog´ıa de cuantificaci´ on energ´etica (seg´ un orientaci´ on y franja equidistante a 5 [m] del per´ımetro).

Tabla 4.1: Superficies Edificio Moneda.

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El resumen de los modelos y consideraciones para simulaci´ on energ´etica del dise˜ no tradicional (proyecto inicial) del Edificio Moneda y su l´ınea base ((ASHRAE 90.1-2007)), se detalla a continuaci´ on: Ocupaci´ on: La ocupaci´ on del proyecto moneda se modela para una densidad ocupacional (cantidad de personas por m2 ) de 0, 1 personas por m2 . La actividad realizada se clasifica como trabajo liviano, produciendo una carga t´ermica de 120 W/persona y un factor de ponderaci´on 0, 9 relacionado al g´enero (mujeres y ni˜ nos). As´ı se modela una carga total por unidad de superficie de 10, 8 W/m2 . El perfil de ocupaci´ on se considera de lunes a viernes entre las 7 : 00 y 19 : 00 hrs, como se muestra en Figura 4.4.

Figura 4.4: Perfil de ocupaci´ on.

Iluminaci´ on: La iluminaci´on del edificio se modela siguiendo los niveles de iluminaci´ on necesarios para crear 500 lx en oficinas y comercio y 150 lx en estacionamientos, la carga t´ermica depender´a de la tecnolog´ıa especificada en cada dise˜ no (tradicional y l´ınea base), considerando el total de LPD como carga t´ermica (ASHRAE, 2009). El perfil de iluminaci´ on se considera de lunes a viernes entre las 7 : 00 y 19 : 00 hrs, como se muestra en Figura 4.5.

Figura 4.5: Perfil de iluminaci´ on.

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Operaci´ on Sistema HVAC: La operaci´on del sistema de climatizaci´ on est´ a configurada para mantener la temperatura interior entre los 20◦ C y los 24◦ C, s´ olo se considera esta configuraci´ on en las zonas de oficinas y recepci´ on. La disponibilidad del sistema HVAC sigue el perfil de iluminaci´on (ver Figura 4.5). Los niveles de ventilaci´ on se configuran para suministrar aire fresco a una tasa de 10l/s por persona.

Otros equipos: Se considera una carga adicional relacionada a equipamiento computacional de 15 W/m2 , este valor es referencial y sigue el perfil de uso de la iluminaci´on (ver Figura 4.5).

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Envolvente: El resumen comparativo de la envolvente para el dise˜ no tradicional y la l´ınea base de las zonas clim´aticas del edificio estudiado en este trabajo se muestra en Tabla 4.2. Se nota cambios en las condiciones de borde en zona 3, donde se permiten mayores p´erdidas por convecci´ on, pero se requiere alto control de radiaci´on al exigir un SHGC de 0, 25.

Tabla 4.2: Envolvente tradicional y l´ınea base seg´ un zonificaci´ on clim´ atica

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Sistema HVAC: Las caracter´ısticas modeladas para los sistemas de climatizaci´ on de ambos modelos se entregan en Tabla 4.6. El sistema HVAC Tradicional, responde a un equipamiento de distribuci´ on a volumen constante tipo Fancoil, suministrado por chillers enfriados por aire (CoP 3, 18) y resistencia de calor para calefacci´ on (CoP 1). El sistema HVAC de la l´ınea base (ap´endice G ((ASHRAE 90.1-2007))) est´ a modelado de acuerdo a los requerimientos exidos por la metodolog´ıa en s´ı. Se considera para todos los casos, un CoP de refrigeraci´on de 5, 5, correspondiente a las exigencias de eficiencia para enfriadores tipo tornillo (screw ) con capacidad mayor a 1051 kW, (ver Tabla 3.10).

Figura 4.6: Comparaci´ on sistemas de climatizaci´ on tradicional y l´ınea base.

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Iluminaci´ on: Se entrega el resumen de densidad de potencia instalada en iluminaci´ on y superficie de los modelos tradicional y su l´ınea base, seg´ un clasificaci´ on del m´etodo espacio por espacio. La potencia instalada del modelo tradicional corresponde a un sistema de tubos fluorescentes tradicionales con un nivel de eficiencia de 4, 9 W/100lx-m2 , lo que se adec´ ua a los niveles requeridos en comercio y oficinas de 500 lx, y para estacionamientos 150 lx.

Tabla 4.3: Resumen Potencia Instalada en Iluminaci´ on.

Este resultado da indicios de un dise˜ no bajo los niveles del est´ andar, reconociendo un consumo de iluminaci´on que est´ a cercano a duplicar los niveles de la normativa en estudio con un valor 204 % superior en potencia instalada. Donde el 80 % de la potencia pertenece a las zonas de oficinas del edificio. Especificar un sistema adecuado de iluminaci´on es una potencial estrategia de dise˜ no, cuyo aporte est´ a incluido en este trabajo.

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4.2.

An´ alisis Dise˜ no Tradicional

El resultado del dise˜ no tradicional para cada zona en estudio se muestra en Tabla 4.4, se observa que no se cumple con el desempe˜ no m´ınimo estimado por el m´etodo de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico del ap´endice G ASHRAE 90.1-2007. Llegando a valores de consumo energ´etico, en Antofagasta, de hasta un 47 % por sobre la l´ınea base. Surge as´ı, el an´ alisis de las causas que provocan dichos desempe˜ nos energ´eticos deficientes.

Tabla 4.4: Resultados desempe˜ no energ´etico dise˜ no tradicional

Para poder observar de mejor manera el comportamiento de los modelos, es necesario desglosar los consumos por tipo de uso final, la distribuci´ on de los distintos consumos permite una comprensi´ on de la participaci´ on que cada uno de los t´opicos tratados en el estudio tiene en el consumo total. Los resultados se muestran en Tabla 4.5 y Tabla 4.6. Con la informaci´ on anterior se podr´a comprender la importancia y participaci´ on de la intensidad de uso de los distintos agentes involucrados en el consumo anual. El an´ alisis involucra realizar modificaciones en el dise˜ no arquitect´onico, de las especialidades de iluminaci´on y de sistemas computacionales, en pro de menores ganancias interiores.

Tabla 4.5: An´ alisis dise˜ no tradicional, desglose de consumos por zona clim´ atica

Tabla 4.6: An´ alisis l´ınea base, desglose de consumos por zona clim´ atica

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Figura 4.7: Consumo Edificio Moneda, dise˜ no tradicional y l´ınea base, Santiago.

Figura 4.8: Consumo Edificio Moneda, dise˜ no tradicional y l´ınea base, Concepci´ on.

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Figura 4.9: Consumo Edificio Moneda, dise˜ no tradicional y l´ınea base, Antofagasta.

4.2.1.

Elevado Consumo de Iluminaci´ on

La potencia instalada en iluminaci´on llega a representar el 50 % del consumo anual en la propuesta tradicional con un consumo de 190 kW h/m2 . Seg´ un resumen de iluminaci´on propuesta, se especifican 24, 5 W/m2 en espacios de oficinas, lo que se considera excesivo al observar y comparar dichos valores con los ´ındices de eficiencia de mejores tecnolog´ıas (ver Tabla 3.12), donde pr´acticamente se duplica la potencia de iluminaci´on de la l´ınea base. Se observa entonces la predominancia de consumos de iluminaci´on del dise˜ no tradicional. Se deber´ a tener en cuenta estrategias de dise˜ no que disminuyan el consumo en iluminaci´on. Considerando tecnolog´ıas con potencias instaladas de iluminaci´on adecuadas, cumpliendo con los niveles requeridos por el est´ andar. Adem´ as de la implementaci´ on de sistemas de control que enciendan las luminarias s´ olo cuando sea necesario. La implementaci´ on de un sistema de iluminaci´on eficiente disminuir´ a las cargas del Sistema HVAC, mas se agrega el an´ alisis que enfatiza las altas ganancias por radiaci´on solar a trav´es de su envolvente transl´ ucida, resaltando la implicancia de la fachada en los consumos energ´eticos anuales.

4.2.2.

Balance Energ´ etico y Ganancias Interiores

Una vez analizado el desglose de consumos energ´eticos, se agrega el balance energ´etico de los edificios para cada ciudad en estudio (ver Figuras 4.10, 4.11 y 4.12). Dicho balance consiste en una gr´ afica que muestra el desglose de ganancias de calor que se produce en las zonas acondicionadas

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(eje positivo) y el consumo asociado a refrigeraci´on necesario para suplir dichas cargas t´ermicas (eje negativo). El balance clarifica el comportamiento t´ermico de la edificaci´ on, mostrando cu´ ales son los t´opicos que aportan mayor cantidad de calor y son objetivos para aplicar medidas que permitan disminuir la carga t´ermica a las zonas. Se entrega el balance energ´etico mensual, el cual permite observar el comportamiento del edificio a lo largo del a˜ no.

Figura 4.10: Balance energ´etico mensual, dise˜ no tradicional Santiago.

Figura 4.11: Balance energ´etico mensual, dise˜ no tradicional Concepci´ on.

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Figura 4.12: Balance energ´etico mensual, dise˜ no tradicional Antofagasta.

Se observa en los balances energ´eticos la predominancia del consumo de aire acondicionado (al contrario de los requerimientos de calefacci´ on). Lo anterior se debe a un alto aporte de calor debido a la radiaci´on entrante a trav´es de las ventanas, sobrecalentando la edificaci´ on y requiriendo aire acondicionado en el transcurso de pr´acticamente todo el a˜ no. Sin importar la zona clim´atica, la radiaci´on solar se presenta como ganancia interna de mayor relevancia, llegando en Antofagasta a valores de 55 % del total (ver Tabla 4.7). La importancia de una fachada vidriada con un coeficiente de ganancia solar (SHGC) bajo ser´ a una medida adecuada y paralela al enfoque de disminuci´ on de cargas internas, como lo es la especificaci´ on de un sistema de iluminaci´on de baja potencia.

Tabla 4.7: Ganancias de calor por radiaci´ on y total anual kW h/a˜ n o − m2 .

4.2.3.

Porcentaje vidriado

Las tendencias arquitect´ onicas actuales requieren de amplias superficies vidriadas, especificando generalmente muros cortina en este tipo de edificaciones. La relaci´ on ventana-muro del dise˜ no tradicional llega al 77 % del total de muros, disminuir dicha relaci´ on implicar´ a menores ganancias interiores, reduciendo los consumos de refrigeraci´on en ´epocas de verano.

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Se muestra en Tabla 4.8, Figuras 4.13 y 4.13; el an´ alisis param´etrico del consumo anual y ganancias solares, al variar en el modelo tradicional el porcentaje vidriado (40 %, 60 %, 70 % y 85 % de la fachada), para la ciudad de Antofagasta:

Tabla 4.8: An´ alisis param´etrico porcentaje vidriado, Antofagasta.

Figura 4.13: Consumo anual en funci´ on del porcentaje vidriado, Antofagasta.

Figura 4.14: Ganancias de calor total y solar a trav´es de ventanas en Antofagasta.

4.2.4.

Coeficiente de Ganancia Solar

La tecnolog´ıa del termopanel a utilizar es un factor importante a considerar, debido al coeficiente de ganancia solar SHGC que represente la radiaci´on incidente que traspasa hacia el interior del edificio, generando ganancias de calor. Se analizan tres tipos de paneles vidriados, presentando deversos ´ındices de ganancia solar y detallados en Tabla 4.9.: Departamento de Ingenier´ıa Civil

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1. Termopanel de bajas prestancias:

Se refiere a la propuesta tradicional, doble panel

simple de espesor 6mm con capa de aire intermedia. 2. Termopanel est´ andar: Se considera soluci´on constructiva de gran tinteado que cumple con los requerimientos del c´ odigo (ASHRAE 90.1, 2007), en zona 4. 3. Termopanel de altas prestancias: Considera tecnolog´ıa Low-e, la que mediante la aplicaci´ on de una capa mineral de baja emitancia en una de las caras interiores de los paneles vidriados, mejora el control solar disminuyendo el coeficiente solar SHGC manteniendo altos valores de transmitancia de luz visible.

Tabla 4.9: Caracter´ısticas de vidrios an´ alisis de fachada.

Se resume las caracter´ısticas de las distintas opciones para fachada vidriada propuestas, agregando el an´ alisis param´etrico del consumo anual en Tabla 4.9. Los resultados de las simulaciones para cada zona clim´atica en estudio se muestran en Tabla 4.10. Se observa una proporcionalidad en los consumos anuales, en t´erminos de consumo anual y ganancias solares.

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Tabla 4.10: Tabla de resultados an´ alisis SHGC.

Figura 4.15: Consumo anual de edificio tradicional seg´ un termopanel.

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Figura 4.16: Ganancia solar para distintos tipos de termopanel.

Figura 4.17: Consumo de equipo enfriador Fancoil para distintos tipos de termopanel.

Se observa la proporcionalidad de las ganancias solares en t´erminos de la transmitancia t´ermica solar total y su coeficiente caracter´ıstico SHGC, lo importante a notar en Figura 4.16 y Figura 4.17 es la influencia de la climatolog´ıa en el comportamiento de la edificaci´ on. Se destaca que para niveles de radiaci´on similares e igualdad de ganancia solar en Santiago y Concepci´on, los consumos del sistema de refrigeraci´on son diferentes. Esto se debe a las p´erdidas por conducci´ on, que al ser mayores en Concepci´ on (clima m´ as fr´ıo), compensan las ganancias interiores en los espacios y provocando finalmente una baja en la demanda de fr´ıo y que la planta enfriadora de agua presente menores consumos (ver Figura 4.17).

4.2.5.

Tecnolog´ıa y comportamiento del sistema HVAC

El comportamiento del sistema HVAC depende tanto de las demandas y utilizaci´on de espacios; como de las caracter´ısticas del sistema primario o planta, y de su sistema de distribuci´ on. El comportamiento de este tipo de mecanismos es tan diverso como cantidad de combinaciones y sistemas exista. Cada dise˜ no de un sistema de clima requiere de un modelo que sea capaz de emular el comportamiento tanto de las prestancias, como de los consumos asociados a cada una de sus

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partes. Se analiza en este estudio, dos tipolog´ıas de sistemas HVAC, el primero responde a las pr´acticas actuales nacionales y pertenecen al dise˜ no proyectado inicialmente en el Edificio Moneda. Este consiste en un sistema tipo Fan Coil para suplir demandas de fr´ıo, de ventiladores constantes y una planta (sistema primario) basada en un enfriador de agua chiller enfriado por aire. La calefacci´ on se suple in situ con resistencias el´ectricas incluidas en cada unidad terminal. En segunda instancia, se considera el sistema HVAC propuesto en la l´ınea base del ap´endice G del c´ odigo ((ASHRAE 90.1-2007)), variaci´on del sistema anterior, enfriador de agua tipo chiller y resistencia el´ectrica, pero con un sistema secundario del tipo VAV. El que se compone de una distribuci´ on que incluye un ventilador de caudal regulable por piso y cajas de distribuci´ on en paralelo con ventiladores m´ as peque˜ nos de volumen constante que permiten la recirculaci´on de aire a su vez.

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Cap´ıtulo 5

Estrategias de Dise˜ no

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Basado en el an´ alisis del cap´ıtulo anterior, se presentan variantes del dise˜ no tradicional, las que se entienden como estrategias de dise˜ no pensadas en un desempe˜ no energ´etico mejor al del est´ andar ((ASHRAE 90.1-2007)). Los resultados de dichas estrategias se eval´ uan para cada ciudad considerada en el estudio, seg´ un metodolog´ıa de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico (BPRM). Las estrategias son las siguientes: Estrategia 1: Potencia Instalada (LPD) y Control de Iluminaci´on Estrategia 2: Fachada Estrategia 3a: Dise˜ no Integral de Iluminaci´on y Fachada con Sistema HVAC ((ASHRAE 90.1-2007)) Estrategia 3b: Dise˜ no Integral de Iluminaci´on y Fachada con Sistema HVAC Tradicional

Figura 5.1: Diagrama cap´ıtulo 5.

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5.1.

Estrategia 1: Potencia Instalada (LPD) y Control de Iluminaci´ on

La estrategia propuesta a continuaci´ on, est´ a enfocada en la disminuci´on de los consumos de iluminaci´on mediante la incorporaci´ on de un sistema de alta eficiencia, comparado con el dise˜ no tradicional, y controlado por sistemas autom´ aticos.

Sistema Iluminaci´ on propuesto: Sobre la base de los niveles de iluminancia de cada tecnolog´ıa, se deber´ a proponer como estrategia de dise˜ no, potencias instaldas de al menos 2,4 W/m2 − 100lx para cumplir con 12 W/m2 (500 lx en oficinas). Se considera un sistema con tecnolog´ıa Fluorescente T8 y balastos electromagn´eticos de segunda generaci´ on, de eficacia 1,5 W/m2 − 100lx lo que seg´ un cada requerimientos de uso, resulta en las densidades de potencia entregados en Figura 5.2.

Figura 5.2: Sistema iluminaci´ on fluorescente T8 y balastos electromagn´eticos

La sola implementaci´ on de tecnolog´ıas eficientes reducir´ a considerablemente el consumo anual, como la propuesta anterior implica una reducci´on estimada en un 62 % del consumo de iluminaci´on tradicional, un sistema de control autom´ atico aumentar´ a dicho consumo.

Tabla 5.1: Resumen LPD para Estrategia 1: LPD y Control.

Control de Iluminaci´ on: El control de la iluminaci´on se puede abarcar mediante diversas formas, el m´etodo de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico considera reducciones por sensores de presencia y timers programables entre un 10 % y un 15 % de la potencia instalada en cada zona. Otro tipo de control, m´ as complejo, consiste en el control de los niveles de Departamento de Ingenier´ıa Civil

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iluminaci´on mediante sensores fotovoltaicos, debidamente calibrados y conectados con un sistema de control que nivela las luminarias de diversas formas. Se propone un sistema de control fotovoltaico lineal, ajustando los niveles de iluminaci´ on artificial entre un 30 % y un 100 % la potencia total, dependiendo de los niveles de iluminaci´ on natural cuando estos presenten valores entre un 20 % y un 100 % de iluminaci´on necesaria.

Figura 5.3: Control de Iluminaci´ on para Estrategia 1:LPD y Control.

Los ahorros energ´eticos de esta medida se podr´an cuantificar una vez simulado el modelo computacional. Se muestra en Tabla 5.2 el resultado de la estrategia completa de iluminaci´ on y control.

Tabla 5.2: Consumos anuales, Estrategia 1: LPD y Control.

Con respecto al dise˜ no tradicional, la estrategia presenta variaciones en el consumo como se muestra en Tabla 5.3, los valores de consumo de la estrategia se entregan referenciados porcentualmente a los obtenidos en el dise˜ no tradicional. El porcentaje de disminuci´on final de la estrategia en promedio es de un 43 % en relaci´ on al consumo total anual (57 % del consumo tradicional). Se comprueba la relevancia de un sistema de iluminaci´on que al incorporar control en sus instalaciones, aumenta los ahorros energ´eticos estimados en 62 % sin control alguno a un 33 % (promedio) con respecto al consumo de iluminaci´on de la l´ınea base.

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Tabla 5.3: Porcentaje de consumo de estrategia iluminaci´ on con respecto a dise˜ no tradicional.

Tabla 5.4: Cuantificaci´ on Estrategia 1, seg´ un Building Performance Rating Method

La implementaci´ on de la estrategia anterior, por si sola permite el cumplimiento con el m´etodo del ap´endice G ampliamente, como se muestra en Tabla 5.4. Se observan aumentos en los consumos de calefacci´ on, los que se deben a la baja en las cargas t´ermicas, aumento que no influye en el consumo total, como se aprecia en Figuras 5.4, 5.5 y 5.6.

Figura 5.4: Consumos estrategia 1: LPD + Control y l´ınea base en Santiago.

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Figura 5.5: Consumos estrategia 1: LPD + Control y l´ınea base en Concepci´ on.

Figura 5.6: Consumos estrategia 1: LPD + Control y l´ınea base en Antofagasta.

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5.2.

Estrategia 2: Fachada

La segunda estrategia considera variaciones en la fachada, pensadas en la disminuci´on de las ganancias t´ermicas interiores debidas a la radiaci´on. Se propone el dise˜ no de una fachada que busca el equilibrio entre la opacidad y la prestancia solar del termopanel.

Fachada vidriada con control solar: Se refiere a la selecci´ on adecuada de un panel vidriado de altas prestancias, se propone el cristal referenciado por ASHRAE para la zona clim´atica 4. El comportamiento de estos valores analizado en punto 4.1.3, no cumple por si solo con los niveles de consumo del est´ andar. Opacidad: Se propone un nivel de opacidad de 30 % de la fachada (relaci´ on ventana muro 0,64), as´ı se lograr en conjunto con la superficie vidriada un desempe˜ no de la envolvente que disminuya las cargas t´ermicas del sistema de clima.

Tabla 5.5: Consumos anuales, Estrategia 2: Fachada.

Tabla 5.6: Variaci´ on de estrategia Fachada con respecto a dise˜ no tradicional.

Los resultados obtenidos, disminuyen en promedio un 9 % el consumo anual con respecto al edificio tradicional, se debe considerar la densidad de potencia instalada totalmente ineficiente que los modelos mantienen y un aumento en los consumos en calefacci´ on debido a disminuci´on de cargas t´ermicas, lo que resulta en los desempe˜ nos seg´ un el ap´endice G entregados en Tabla 5.7 y Figuras 5.7 a 5.9.

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Tabla 5.7: Cuantificaci´ on Estrategia Fachada seg´ un Performance Rating Method

Figura 5.7: Consumos estrategia 2: Fachada en Santiago.

Figura 5.8: Consumos estrategia 2: Fachada en Concepci´ on.

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Figura 5.9: Consumos estrategia 2: Fachada en Antofagasta.

Los valores de cuantificaci´ on negativos se deben principalmente a iluminaci´on ineficiente, esto se clarifica en Tabla 5.8, destacando que con la implementaci´ on de la fachada propuesta se logra una disminuci´on considerable de la ganancia solar, la que disminuye hasta valores en promedio de un 40 % del total de carga solar del dise˜ no tradicional. Se observa entonces la importancia de abordar el edificio como un sistema completo, donde de nada sirve realizar esfuerzos en especificar una fachada eficiente, si de manera paralela se est´ a especificando una iluminaci´on de alto consumo, que como se observ´ o en secci´ on 4,2,1, aumenta considerablemente el consumo energ´etico. El comportamiento t´ermico de la estrategia de fachada se observa en Figuras 5.10, 5.11 y 5.12

Tabla 5.8: Aporte solar estrategia de fachada.

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Figura 5.10: Balance energ´etico fachada propuesta y tradicional, Santiago.

Figura 5.11: Balance energ´etico fachada propuesta y tradicional, Concepci´ on.

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Figura 5.12: Balance energ´etico fachada propuesta y tradicional, Antofagasta.

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5.3.

Estrategias 3a y 3b: Dise˜ no Integral de Iluminaci´ on y Fachada

En funci´ on de los resultados obtenidos en las estrategias anteriores, se entrega como tercera opci´ on un dise˜ no integral de los mecanismos tratados en el estudio (Envolvente, Iluminaci´ on y Sistema HVAC), donde se trata el edificio como un sistema completo, con un dise˜ no enfocado en la reducci´on de cargas t´ermicas y un consumo de iluminaci´ on controlado a trav´es de baja densidad de potencia. Las caracter´ısticas del dise˜ no se resumen a continuaci´ on:

Iluminaci´ on: El sistema de iluminaci´on propuesto, est´ a pensado para tener potencias instaladas similares a las exigidas por el est´ andar en espacios de oficinas (12 W/m2 ). Se considera la implementaci´ on de tecnolog´ıa de tubos fluorescentes T12 y balastos electromagn´eticos (Bordoni (2010)), con las especificaciones de eficiencia y potencia instalada en Figura 5.13. Se considera adem´ as la reducci´ on debido a sensores de ocupaci´ on, que seg´ un la metodolog´ıa del est´ andar corresponde a un 15 % de reducci´on en la potencia instalada.

Figura 5.13: Sistema Iluminaci´ on T12 con balasto electromagn´etico

Tabla 5.9: Iluminaci´ on propuesta Estrategia 3 y l´ınea base ((ASHRAE 90.1-2007))

Fachada: Para la disminuci´on de cargas t´ermicas se propone, adem´ as de la baja propia del sistema de iluminaci´on, una fachada con SHGC 0, 4 lo que materializa con el termopanel propuesto en la estrategia anterior y un 30 % de opacidad. De esta manera se predispone un dise˜ no similar a la l´ınea base la que deber´ a presentar, por ende, similar desempe˜ no.

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Sistemas HVAC: Se analiza el comportamiento de los dos sistemas de climatizaci´ on tratados en el estudio: • Estrategia 3a: Sistema HVAC propuesto por ASHRAE volumen de aire variable con unidades terminales paralelas (VAV with PFP boxes) suministradas por chillers enfriados por aire (CoP 5, 5). • Estrategia 3b: Sistema HVAC tradicional en base a Fancoil suministrados por chillers enfriado por aire (CoP 3, 18) y resistencia el´ectrica.

Si bien las demandas t´ermicas ser´ an id´enticas, el consumo de energ´ıa var´ıa debido a diversas caracter´ısticas, entre las que se encuentran: eficiencia sistemas primarios, implementaci´ on de ciclos nocturnos, eficiencia y uso de ventiladores, etc. Los resultados obtenidos se muestran en Tablas 5.10 y 5.11.

Tabla 5.10: Resultados Estrategia 3a, Sistema HVAC ((ASHRAE 90.1-2007))

Tabla 5.11: Resultados Estrategia 3b, Sistema HVAC Tradicional

El resultado corrobora las variaciones en el consumo energ´etico de los distintos sistemas HVAC, y lo complejo que se vuelve poder comparar entre distintas tecnolog´ıas y comportamientos (ASHRAE, 2009). Se muestra en Figuras 5.14, 5.15 y 5.16; el balance energ´etico de ambos sistemas HVAC, mostrando algunas de las caracter´ısticas un comportamiento t´ermico similar.

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Figura 5.14: Balance t´ermico Estrategia 3, Santiago

Figura 5.15: Balance t´ermico Estrategia 3, Concepci´ on

Figura 5.16: Balance t´ermico Estrategia 3, Antofagasta

Finalmene se entregan los resultados seg´ un el M´etodo de Cuantificaci´ on del Desempe˜ no Energ´etico (Building Performance Rating Method ), lo que cumple con el est´ andar con los valores en Tablas 5.12 y 5.13:

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Tabla 5.12: Cuantificaci´ on energ´etica Estrategia 3a: Dise˜ no Integral Sistema HVAC ((ASHRAE 90.1-2007)).

Tabla 5.13: Cuantificaci´ on energ´etica Estrategia 3b: Dise˜ no Integral Sistema HVAC Tradicional.

Ambas estrategias de dise˜ no est´ an enfocadas para obtener consumos energ´eticos inferiores a los del est´ andar ((ASHRAE 90.1-2007)), se observan diferencias en el consumo de climatizaci´ on y ventilaci´ on para ambos modelos con distinto sistema HVAC. Lo anterior refleja un comportamiento diferente en consumos energ´eticos para un mismo edificio, pero con diferentes sistemas de clima. Esto se observa en Figuras 5.17, 5.18 y 5.19.

Figura 5.17: Consumos estrategia 3: Dise˜ no Integral y l´ınea base en Santiago.

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Figura 5.18: Consumos estrategia 3: Dise˜ no Integral y l´ınea base en Concepci´ on.

Figura 5.19: Consumos estrategia 3: Dise˜ no Integral y l´ınea base en Antofagasta.

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5.4.

Resumen

Se presenta en tabla resumen 5.14 el consumo energ´etico estimado para las 4 estrategias de dise˜ no y el porcentaje de ahorros con respecto a la l´ınea base seg´ un metodolog´ıa de cuantificaci´ on energ´etica ((ASHRAE 90.1-2007)).

Tabla 5.14: Resumen del desempe˜ no energ´etico para estrategias de dise˜ no.

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Cap´ıtulo 6

An´ alisis de Inversi´ on

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Una forma para dicernir y tener mejores argumentos en la toma de decisiones es el an´ alisis econ´ omico de los ahorros energ´eticos, entendidos como un beneficio a ra´ız de un aumento en la inversi´ on. La factibilidad para implementar una estrategia de dise˜ no (de eficiencia energ´etica) se obtiene al calcular el valor presente de los flujos econ´ omicos de la inversi´ on inicial y de los ahorros energ´eticos que provocan flujos positivos.

V NA =

P

Vi /(1 + k)t − I0 (ec. 5.1)

Donde Vi : Beneficio econ´ omico debido a conservaci´ on de energ´ıa, [$/m2 ] k: Tasa de descuento considerada t: Cantidad de per´ıodos considerados I0 : Inversi´ on extra de implementaci´ on estrategia eficiencia, [$/m2 ] El criterio de decisi´ on, propuesto en este trabajo, para aceptar la inversi´ on de alguna de las estrategias de dise˜ no, se basar´ a mediante los siguientes t´opicos: Energ´ıa Conservada: La energ´ıa conservada corresponde a la diferencia entre los consumos energ´eticos del Edificio Moneda (dise˜ no tradicional) y del dise˜ no considerando las estrategias de dise˜ no. Este criterio psee un enfoque energ´etico, a diferencia del aumento y periodo de retorno de la inversi´ on. Aumento de Inversi´ on: Corresponde al valor estimativo del aumento en la inversi´ on del proyecto, de considerar las modificaciones tratadas en las estrategias de dise˜ no del cap´ıtulo anterior. El valor cotizado en la implementaci´ on de cada estrategia de dise˜ no s´ olo es referencial y responde a estimaciones de primera instancia, basados en la experiencia profesional de especialistas en el ´ area de dise˜ no de edificaciones y eficiencia energ´etica. La informaci´ on recopilada es entregada gracias a la disposici´on y buena f´e de los se˜ nores: Joaqu´ın Reyes, Ingeniero Civil Mec´ anico, Cintec S.A.; Rodrigo P´erez, Ingeniero en Climatizaci´ on, IDIEM Universidad de Chile; Pablo Canales, Arquitecto, IDIEM Universidad de Chile; Alejandro Castro, Arquitecto, EnergyArq; Alain J. Kaczorowski, Especialista fachadas vidriadas, AGC. Per´ıodo de Retorno: El per´ıodo de retorno correponde al tiempo necesario para que los los flujos equiparen la inversi´ on, este valor se obtiene por inspecci´ on simple al calcular el valor actual neto (ec. 5.1) para distintos per´ıodos. Se espera que en un proyecto de eficiencia energ´etica, el per´ıodo de retorno no supere los 3 a 5 a˜ nos. La tasa de descuento considerada es 8 %, 10 % y 12 % anual, valores asociados a proyectos inmoviliarios.

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La informaci´ on utilizada en el an´ alisis de inversi´ on se detalla a continuaci´ on:

6.1.

Ahorros Energ´ eticos

Los consumos energ´eticos (mensuales) de los modelos tradicional y las 4 estrategias de dise˜ no se muestran en Tabla 6.1, dichos valores est´ an calculados seg´ un la metodolog´ıa dada por el m´etodo de cuantificaci´ on energ´etica Performance Rating Method. Los ahorros de cada estrategia est´ an calculados en comparaci´ on al consumo del dise˜ no tradicional. El consumo energ´etico de cada edificio (tradicional y estrategias de dise˜ no) est´ a calculado en base a simulaciones computacionales din´ amicas, que consideran diversos supuestos de ocupaci´ on y condiciones de borde. Provocando diferencias con los consumos que se obtendr´ıan efectivamente en las edificaciones. La variabilidad depender´a de elementos, tales como: supuestos de ocupaci´ on diaria, operaci´on de sistemas de iluminaci´on, data clim´atica, nivel de infiltraciones y otras consideraciones. Debido al nivel de incertidumbre en los ahorros calculados de acuerdo a la metodolog´ıa de cuantificaci´ on del desempe˜ no energ´etico, se consideran tres escenarios donde dichos valores son: 10 %, 50 % y 100 % del total de ahorros calculados para las 4 estrategias de dise˜ no. Los ahorros totales para cada estrategia se muestran en Tabla 6.2.

Tabla 6.1: Consumos energ´eticos mensual estrategias de dise˜ no y dise˜ no tradicional.

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Tabla 6.2: Ahorros energ´eticos anuales estrategias de dise˜ no en base a dise˜ no tradicional.

6.2.

Tarifa

Se considera adecuado para auditor´ıas de eficiencia energ´etica, utilizar el precio marginal de la energ´ıa. De tener una tarificaci´ on real que considera valores fijos o base (por ejemplo uso de sistema de distribuci´ on o potencia instalada), estos ser´ an iguales para ambos edificios en comparaci´ on y los ahorros econ´ omicos corresponder´ an entonces al costo marginal. (Efficiency Valuation Organization, 2009) El precio de la energ´ıa utilizado en este estudio es precio mon´ omico real, entregado por la Comisi´ on Nacional de Energ´ıa y que correponden a 47, 3 [$/kW h] para Santiago y Concepci´on (SIC, mayo 2011) y 43, 9 [$/kW h] para Antofagasta (SICNG, mayo 2011). Debido a la alta variabilidad en el coste de la energ´ıa (ver Figura 6.1), se proponen 3 escenarios cuyos valores se resumen en Tabla 6.3.

Precio actual (mayo 2011) Aumento tarifario (valor promedio de los u ´ltimos 10 a˜ nos m´ as la desviaci´on est´ andar) Baja tarifaria (valor promedio de los u ´ltimos 10 a˜ nos menos la desviaci´on est´ andar)

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Figura 6.1: Variaci´ on del costo energ´etico en Chile. (CNE, Ministerio de Energ´ıa).

Tabla 6.3: Tarifas actual y promedio u ´ ltimos 10 a˜ nos. (CNE, Ministerio de Energ´ıa).

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6.3.

Estrategia 1: Potencia Instalada (LPD) y Control de Iluminaci´ on

Los costos asociados a sistemas de iluminaci´on depender´an de la calidad t´ecnica y de la experiencia de los especialistas en dise˜ no de iluminaci´on interior. Los costos referenciales para los sistemas tradicional y propuestos en la estrategia LPD + Control, se entregan en Tabla 6.4.

Tabla 6.4: Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 1, LPD y Control de Iluminaci´ on.

El ahorro mensual, aumento de inversi´ on y flujos anuales, se entregan en Tablas 6.5 y 6.6. Se on sin habilitaci´ on de oficinas y compara con un valor de inversi´ on total de 18 [ UmF2 ] para construcci´ 33 [ UmF2 ] de tratarse con habilitaci´ on de oficinas.

Tabla 6.5: Costos de Inversi´ on Estrategia 1: LPD + Control.

Tabla 6.6: Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 1: LPD + Control.

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Se entrega en Tabla 6.7 el periodo de retorno y la energ´ıa conservada de la estrategia de dise˜ no 1: LPD y Control de iluminaci´on, para los distintos escenarios considerados.

Tabla 6.7: Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 1.

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6.4.

Estrategia 2: Fachada

Los costos asociados al cambio en estrategia de fachada dependen de la superficie vidriada, superficie opaca y caracter´ısticas del dise˜ no. Los costos referenciales para los sistemas tradicional y propuestos en la estrategia Fachada, se entregan en Tabla 6.8.

Tabla 6.8: Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 2, Fachada.

El ahorro mensual, aumento de inversi´ on y flujos anuales, se entregan en Tablas 6.9 y 6.10. Se compara con un valor de inversi´ on total de 18 [ UmF2 ] para construcci´ on sin habilitaci´ on de oficinas y 33 [ UmF2 ] de tratarse con habilitaci´ on de oficinas.

Tabla 6.9: Costos de Inversi´ on Estrategia 2: Fachada.

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Tabla 6.10: Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 2: Fachada.

Se entrega en Tabla 6.11 el periodo de retorno y la energ´ıa conservada de la estrategia de dise˜ no 2: Fachada, para los distintos escenarios considerados.

Tabla 6.11: Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 2.

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6.5.

Estrategia 3a: Dise˜ no Integral con Sistema HVAC ASHRAE 90.1-2007

Los costos asociados a la estrategia 3, engloban diversas especialidades, entre las que se encuentran: Fachada, iluminaci´on y sistemas HVAC. Los costos referenciales para los sistemas tradicional y propuesto, para la estrategia Dise˜ no Integral de Iluminaci´on y Fachada con HVAC ((ASHRAE 90.1-2007)), se entregan en Tabla 6.12.

Tabla 6.12: Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 3a.

El ahorro mensual, aumento de inversi´ on y flujos anuales, se entregan en Tablas 6.13 y 6.14. Se compara con un valor de inversi´ on total de 18 [ UmF2 ] para construcci´ on sin habilitaci´ on de oficinas on de oficinas. y 33 [ UmF2 ] de tratarse con habilitaci´

Tabla 6.13: Costos de Inversi´ on Estrategia 3a.

Tabla 6.14: Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 3a.

Se entrega en Tabla 6.15 el periodo de retorno y la energ´ıa conservada de la estrategia de dise˜ no 3a:Dise˜ no Integral con Sistema HVAC ((ASHRAE 90.1-2007)), para los distintos escenarios Departamento de Ingenier´ıa Civil

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considerados.

Tabla 6.15: Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 3a.

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6.6.

Estrategia 3b: Dise˜ no Integral con Sistema HVAC Tradicional

Los costos asociados a la estrategia 3b, engloban diversas especialidades, entre las que se encuentran: Fachada, iluminaci´on, sistema HVAC. Los costos referenciales para los sistemas tradicional y propuesto, para la estrategia Dise˜ no Integral de Iluminaci´on y Fachada con Sistema HVAC Tradicional, se entregan en Tabla 6.16.

Tabla 6.16: Aumento de Inversi´ on Estrategia de Dise˜ no 3b.

El ahorro mensual, aumento de inversi´ on y flujos anuales, se entregan en Tablas 6.17 y 6.18. Se compara con un valor de inversi´ on total de 18 [ UmF2 ] para construcci´ on sin habilitaci´ on de oficinas on de oficinas. y 33 [ UmF2 ] de tratarse con habilitaci´

Tabla 6.17: Costos de Inversi´ on Estrategia 3b.

Tabla 6.18: Ahorros energ´eticos y tarificaci´ on energ´etica. Estrategia 3b.

Se entrega en Tabla 6.19 el periodo de retorno y la energ´ıa conservada de la estrategia de dise˜ no 3b:Dise˜ no Integral con Sistema HVAC Tradicional, para los distintos escenarios considerados. Departamento de Ingenier´ıa Civil

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Tabla 6.19: Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 3b.

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6.7.

Resumen

En resumen, se obtienen los resultados mostrados en tabla 6.20

Tabla 6.20: Periodo de retorno y energ´ıa conservada para Estrategia 3b.

Figura 6.2: Energ´ıa conservada y periodo de retorno estrategias en Santiago.

Figura 6.3: Energ´ıa conservada y periodo de retorno estrategias en Concepci´ on.

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Figura 6.4: Energ´ıa conservada y periodo de retorno estrategias en Antofagasta.

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Cap´ıtulo 7

Conclusiones

114

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De los objetivos y resultados Se comprueba que el dise˜ no del proyecto (dise˜ no tradicional) no cumple con los niveles de consumo asociados al est´ andar ((ASHRAE 90.1-2007)), presentando consumos energ´eticos superiores a la l´ınea base en un 37 %, 35 % y 47 % para las ciudades de Santiago, Concepci´on y Antofagasta respectivamente. Dicha falencia se debe principalmente a dos caracter´ısticas:

Sistema de iluminaci´on ineficiente, basado en tubos fluorescentes de tecnolog´ıa antigua, con W ´ındices de consumo de [ m2 −100lx ], esto implicar´ a en espacios de oficinas una potencia instalada

W de 24, 5 [ m acticamente el consumo de iluminaci´on de la l´ınea base (12 W/m2) 2 ] duplicando pr´

y llegando a una participaci´ on del 50 % del consumo total. Un rango esperado para sistemas W ], valores representativos para tubos fluorescentes de iluminaci´on eficiente es 1 a 2 [ m2 −100lx

tipo T8 o T5. Fachada vidriada de bajas prestancias, sin dispositivos de sombreamiento con altas ganancias solares SHGC 0, 7. Lo que se califica como malas pr´acticas, especialmente en relaci´ on a la cantidad de superficie vidriada, que para los dise˜ nos de edificaciones comerciales corresponde a un 77 % del total de muros. Lo anterior implica elevada ganancia solar y un sobrecalentamiento de la edificaci´ on, aumentando el consumo en aire acondicionado (chiller ). Las estrategias de dise˜ no muestran los resultados entregados en Tabla 7.1, donde se observa que las soluciones presentadas en el trabajo y enfocadas en encontrar consumos energ´eticos menores a los del est´ andar ((ASHRAE 90.1-2007)), permitiendo ahorros energ´eticos considerables en relaci´ on al consumo del dise˜ no tradicional. Los criterios de decisi´ on presentados en el an´ alisis de inversi´ on implican en lo siguiente: Al considerar la energ´ıa conservada por cada una de las estrategias como criterio de decisi´ on, se observan mayores ahorros al implementar las estrategias 1 (LPD y Control) y 3b (Dise˜ no Integral con sistema HVAC tradicional), con ahorros promedio de 151 y 140 kW h/a˜ n o − m2 , representando un 33 % y un 31 % del consumo tradicional (proyecto original). El periodo de retorno de la inversi´ on conduce a la implementaci´ on de las estrategias de dise˜ no 2 o 3b (Fachada y Dise˜ no Intergral con HVAC tradicional)observando retornos entre 2 y 4 a˜ nos promedio respectivamente. La variaci´on de estos valores es de 68 % y 42 % respectivamente.

Tabla 7.1: Resumen de Estrategias de Dise˜ no.

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Finalmente se recomienda un dise˜ no del proyecto que considere integralmente las caracter´ısticas de fachada y los sistemas mec´ anicos de iluminaci´on y climatizaci´ on de ambientes. De nada servir´ıa enfocar el dise˜ no en implementar s´ olo uno de los t´opicos tratados en el trabajo por separado (fachada eficiente, iluminaci´on o un sistema de climatizaci´ on adecuado). Se observa as´ı la interacci´ on y complementariedad de estrategias de dise˜ no que, en relaci´ on al consumo de energ´ıa; entregan al dise˜ nador estimaciones del impacto que conlleva especificar una u otra tecnolog´ıa. Se propone considerar:

Sistema de iluminaci´on baja potencia instalada Control de regulaci´ on y apagado autom´ atico de iluminaci´ on Cristales de baja transmitancia solar y Opacidad de fachada Control adecuado de sistema HVAC

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De la metodolog´ıa Se observa en este trabajo, una metodolog´ıa enfocada para ser utilizada en el proceso de concepci´ on de un proyecto, con la que se aumenta la capacidad de an´ alisis y selecci´ on t´ecnico-econ´ omica de sistemas enfocados en buen desempe˜ no energ´etico. Se reconocen distintas caracter´ısticas en la metodolog´ıa que hacen variar el consumo energ´etico anual estimado en contraste con los niveles de consumo que se observar´ an una vez terminado el proyecto e iniciada la ocupaci´ on de este. Entre dichas caracter´ısticas resaltan los supuestos de ocupaci´ on y funcionamiento de los sistemas involucrados, estimando valores y horarios de ocupaci´ on con valores adecuados a este tipo de edificaciones seg´ un la realidad nacional. Si bien esta caracterizaci´ on es adecuada, los consumos energ´eticos reales variar´an, lo anterior se corrobora al comparar los resultados de los estudios (Pareja y Sielfeld, 2007) y (Cabrera y Sielfeld, 2008) donde se observan consumos el´ectricos de 109, 8 [kW h/m2], con una desviaci´on t´ıpica de 48, 3 [kW h/m2]). La calibraci´on de los modelos computacionales para la obtenci´ on de valores reales de consumo necesita de un seguimiento in situ, implementando sistemas de medici´ on y control de cada uno de los elementos consumidores de energ´ıa. Permitiendo as´ı obtener una caracterizaci´ on correcta y de mayor detalle en la utilizaci´ on de espacios y sistemas ( de iluminaci´on, clima y equipos computacionales) que implique en modelos computacionales adecuados para la realizaci´ on de asesor´ıas de eficiencia energ´etica a edificaciones ya construidas. Finalmente se reconoce en la simulaci´ on energ´etica una herramienta potente de an´ alisis de edificaciones en la etapa de concepci´ on y dise˜ no de los proyectos, la que se sustenta en comparaciones y que considera la interacci´ on de los distintos sistemas mec´ anicos con la edificaci´ on y la climatolog´ıa del lugar de emplazamiento.

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