1

BIM & LEED & Control de Proyectos

Energía neta cero. BIM y simulación de energía renovable. BIM y

control de proyectos.

Energía neta cero

Concepto

El concepto de energía neta cero se aplica a edificios en donde la diferencia z es igual a cero.

La energía que se genera proviene del propio edificio vía fuentes renovables. En relación con este balance los edificios también pueden ser de energía neta: baja, muy baja, e incluso con excedente. Se evalúa un año típico, y en fluctuaciones de demanda hay una conexión a una red de intercambio.

La energía puede ser generada a través de celdas solares fotovoltaicas, energía eólica, o celdas de hidrógeno. También se puede emplear el calor vía colectores solares térmicos, acumulación de la masa térmica del edificio, muros de agua u otra estrategia térmica.

Simulación de energía neta cero

Referencia

Affouda-León Biaou, Michel A. Bernier & Yan Ferron (École Polytechnique de Montréal, Montréal, Québec, Canada). Simulation of Zero Net Energy Homes. The Canadian conference on building energy simulation, eSim 2004. Vancouver, Canada, June 9th to 11th.

El artículo presenta la simulación de energía neta cero en una casa (Zero Net Energy Home, ZNEH) equipada con paneles fotovoltaicos para la producción de energía in-situ y una bomba de calor geotérmica de calentamiento y enfriamiento y uso doméstico de agua pre-calentada.

Descripción del caso estudiado

En la Figura 1 se presenta un esquema del caso de energía cero estudiado. Sus componentes principales: (1) arreglos fotovoltaicos para generación de energía, un invertidor que transforma la corriente directa de estos paneles en corriente alterna requerida, (2) conexión a red de energía local, (3) un sistema de calentamiento incluyendo una bomba de calor para agua doméstica precalentada.

Primero, el generador de paneles (arreglo más invertidor) produce la energía requerida por los accesorios eléctricos. La casa está también conectada a una red eléctrica la cual puede actuar como un dispositivo de almacenamiento de energía. Cuando el sistema fotovoltaico genera más energía de la necesaria, el excedente es enviada a esta red. Al revés, cuando hay déficit, la red suministra la energía requerida. Usualmente se cuenta con un dispositivo para medir el intercambio de energía en ambas direcciones.

2

El segundo juego de intercambio de energía se relaciona con el sistema de bombeo en caliente de base geotérmica el cual tiene circuitos para líquido y para aire. La bomba captura calor desde la tierra para proporcionar calor a un circuito de aire en la casa y para precalentar el agua doméstica. Hay también un ciclo en reversa para refrigeración en el que la bomba remueve el calor del circuito de aire de la casa. Este calor es aprovechado para el calentamiento de agua.

La simulación

La simulación que reporta el artículo se auxilia de software especializado. Se resumen las características de los componentes.

La casa

Es una edificación simulada como casa residencial de dos pisos de 156 m2 con un medio sótano de 117 m3, volumen acondicionado de 468 m3, área de ventanas de 14 m2, volumen de ático de 187.2 m3. Se incluye detalles de la fachada tanto en materiales como en características térmicas y de aireación.

El número de cambios de aire por hora, ACH, es calculado como:

( ) ( )

Con las simulaciones encontraron que el promedio de los cambios ACH eran del orden 0.5 a 0.2 para condiciones de invierno y verano respectivamente.

El modelo de procesamiento del clima asume que la casa es ocupada por cuatro personas con un trabajo ligero. Los cuatro ocupantes están desde medianoche a 8h y desde las 17h a 24h, mientras que dos de ellos sólo están en la casa desde las 8h a las 17h. En la Figura 2 se representa la demanda de energía eléctrica de los accesorios eléctricos y la iluminación. La carga mínima alcanza 0.15kW a las 2h, y la máxima de 1.63 kW a las 19h.

3

Los autores indican que el perfil de consumo de agua caliente en la casa está dado en la Figura 3.

Bomba de calor de fuente subterránea

El modelo para la bomba de calor considera la operación durante un periodo de tiempo de simulación diferente para tiempos de calor o de frío. Un termostato controla la operación de la bomba. El periodo en cuestión es el necesario para mantener la temperatura en 20°C en calor y 25°C en frío.

Es considerado que la bomba de calor tiene una capacidad nominal de enfriamiento de 2.5 ton (8.75kW). Puede operar con ciclos de temperatura desde 4.4°C a 43.3°C. El modelo empleado permite encontrar una buena correlación con los datos de manufactura de la bomba, según se muestra en la Figura 4.

4

Para obtener agua caliente

Como se ilustra en la Figura 5 el sistema de agua caliente emplea un desupercalentador acoplado a un tanque de agua caliente equipado con elementos eléctricos de calentamiento.

Expresiones matemáticas del modelo permiten calcular la transferencia de calor desde el desupercalentador al agua.

Intercambio de calor a tierra

El ciclo de intercambio de calor a tierra consiste de un tubo en U hecho de polietileno de alta densidad insertado en una perforación a una profundidad de 100 m.

5

Sistema fotovoltaico

La producción eléctrica se consigue de un arreglo fotovoltaico compuesto a su vez de módulos fotovoltaicos, constituidos también a su vez por celdas fotovoltaicas. Las celdas son dispositivos semiconductores que convierten luz solar en electricidad. Las usadas en el estudio son celdas de cristal de silicón. El sistema se conecta a una red para intercambio de energía.

En la simulación se usaron los datos del fabricante y las condiciones de tiempo para calcular los parámetros del modelo, y obtener el perfil de producción incluyendo los puntos de máxima potencia.

BIM y simulación de energía renovable

Referencia

Yong K. Cho, Sultan Alaskar, and Thaddaeus A. Bode (University of Nebraska-Lincoln, Omaha, Nebraska). BIM- Integrated Sustainable Material and Renewable Energy Simultion. Proceedings of the 2010 Construction Research Congress, May 8-1. ASCE.

El principal objetivo de la investigación es indagar sobre la discontinuidad entre las herramientas habituales para modelar energía y la implementación de formatos sostenibles que logran los mejores diseños de fachada y selección de materiales de construcción. A través del uso del BIM se ha tenido avances de integración, pero en el caso de las herramientas de modelar energía se han encontrado limitaciones para incorporar fuentes de energía renovable como paneles fotovoltaicos, turbinas de viento, o pozos geotérmicos. Justamente este artículo propone estrategias para su inclusión con el estudio de un caso de energía neta cero en una casa. También se incluyen propuestas de análisis paramétrico para un mejor diseño de fachada y selección de material de construcción analizando la simulación de consumo de energía.

Introducción

El proyecto es de la Universidad de Nebraska-Lincoln desarrollado por estudiantes de ingeniería y arquitectura quienes debieron elaborar las especificaciones y materiales para lograr un escenario de energía neta cero. El marco del diseño es alcanzar una certificación LEED platino. En el caso de esta investigación se utiliza este proyecto para identificar los vacíos de las herramientas actuales de modelamiento de energía y la implementación de diferentes formas de energía

6

renovable para conseguir mejores logros en el diseño de la fachada y la selección de materiales de construcción.

La energía neta cero en una casa

La casa sobre la cual se hará esta evaluación consta de dos pisos y un sótano con la ilustración de la Figura 6. Diversos sistemas sostenibles están previstos e implementados en este proyecto: formas de concreto aislante en los muros del sótano y en las caras norte, este, y oeste del primer piso, estructura con espuma rociada en el muro sur del primer piso y en todo el segundo piso. Toda la casa tiene un sistema de acabado exterior para aislamiento. Varios tipos de ventana para reducir el calor solar en los meses de verano, y para no perderlo durante los meses de invierno. Fueron incorporados pozos geotérmicos perforados a 150 pies. Para bajar el consumo de energía de los sistemas de calentamiento, se incorporó un sistema especial de radiación en el primer y en el segundo piso reduciendo el uso del sistema de calentamiento.

Respecto a las fuentes renovables de energía, el proyecto incluye paneles solares (con un máximo de 2kWh) y turbina de viento (también con un máximo de 2kWh), que juntos generarían energía por encima de las necesidades de la casa, pudiendo el excedente ser vendido.

Herramientas BIM y de modelaje de energía

De una parte, se usó una herramienta BIM basada en tecnología de objetos (fachada, puertas, ventanas, muros, y otros) y un modelaje de energía del edificio en 3D (materiales, resistencia al calor, localización, clima, y otros) con una herramienta de simulación de energía. Sin esta transferencia de la información 3D, tendría que recrearse la información geométrica en la herramienta de simulación de energía.

Los autores seleccionaron Autodesk Ecotect 5.6 para la simulación de energía. Este programa había sido previamente evaluado en forma favorable por el Departamento de Energía de Estados Unidos. Tiene capacidad de ver y analizar los resultados en diferentes formatos, y puede analizar energía termal, solar, acústica, e iluminación en diferentes fases del diseño. Los resultados los muestra directamente en objetos 3D. Puede importar una diversidad de formatos de archivos.

La casa en estudio fue modelada en Constructor 2008, y desde el formato gbXML fue exportada a Ecotect, conforme se ilustra en la Figura 7.

Uso de Ecotect en los cálculos de energía

Aunque Ecotect dispone de una variedad de funciones y herramientas, la versión utilizada muestra las siguientes limitaciones: (1) herramienta limitada de paneles

7

solares, (2) no hay una herramienta para turbina de viento, y (3) no tiene la función para un sistema geotérmico. Justamente esta investigación adopta estrategias para resolver estas limitaciones.

Paneles fotovoltaicos

Para calcular la energía producida desde paneles fotovoltaicos se necesita: el porcentaje de eficiencia eléctrica (desconocido en este estudio) y la radiación solar disponible en diferentes estaciones. Ecotect tiene una herramienta que permite entrar algunos datos manualmente como el porcentaje de eficiencia eléctrica y el espacio de calentamiento. Sin embargo, no cuenta con un instrumento para calcular o entrar la radiación solar disponible en diferentes estaciones.

Debido a ello, el porcentaje de eficiencia eléctrica fue calculado usando un método de prueba y error a fin de encontrar el porcentaje requerido que podría producir la cantidad de energía usando el promedio de energía disponible de radiación solar en la zona de la vivienda. Se encontró que la radiación fue de 4.6 horas/día.

Turbina de viento

La versión utilizada de Ecotect no tiene una herramienta para incorporar en el modelo de energía el uso de una turbina de viento. En vez de ello se usó la opción de Ecotect de introducir un valor diario de energía producida. Para calcular la de la turbina fue asumida una velocidad de viento de 5.5 millas (8.85km) por segundo. Este valor promedio fue utilizado en el gráfico de la cantidad de energía producida por una turbina de viento, según se ilustra en la Figura 8. Así, la producción anual (1000kWh/año) fue dividida entre 365 días, obteniendo 2.74kWh/día incorporado a Ecotect.

Sistema geotérmico

Se consideran dos aspectos: el análisis térmico y el consumo de energía. Ecotect no tiene una función para calcular el efecto termal o el consumo de energía esperado con estos sistemas en particular por el efecto cíclico geotermal. Se efectuaron dos actividades. La primera, para el análisis termal, en el modelo fue

8

agregado un sistema de ventilación natural en cada dormitorio para imitar el efecto de los sistemas geotérmico y de radiación del piso. Segundo, fue empleado el software Trace 700 que es específico para sistemas geotérmicos, y fue adaptado para calcular el consumo total de energía en la casa. Fue necesario reconstruir el modelo e introducir información sobre calentamiento, refrigeración, y aire acondicionado.

Resultados del análisis

La energía generada por los paneles fotovoltaicos fue calculado como 2,219kW/año, la de la turbina de viendo en 1,000kW/año, con los cual se estima en 3,219kW/año el estimado de energía total.

Usando Trace 700, el consumo total de energía fue estimado en 12,189kW/año. El gráfico (Figura 9, que debe entenderse como energía acumulada) muestra que la energía colectada (paneles solares y viento) no es suficiente para cubrir el total de electricidad requerida (electricidad usada) por lo que hay un déficit que debe estudiarse introduciendo modificaciones al diseño original, lo cual es abordado por la investigación.

Análisis paramétrico

Dos cambios importantes fueron analizados: la disminución del ancho de la cornisa y la variación de las ventanas en tamaño y localización. También se efectuó un cambio en los materiales. Estos cambios dieron lugar a un nuevo modelo.

La cornisa tenía un ancho original de 2.4m, el cual fue reducido a 1.1m para incrementar el acceso a la radiación solar en los meses de verano. El cálculo con Ecotect indicó una variación de 139.95kW/año a 390.10kW/año. También se redujo la carga de calor en 204kWh/año al entrar mayor radiación de calor.

Respecto a las ventanas, tres de éstas en el segundo piso fueron agrandadas y reubicadas para aprovechar mejor la luz natural. Lo cual se incrementó en 88.33Lux (lumens por metro cuadrado).

Los cambios de los materiales se efectuaron en los muros de ambos pisos, estudiándose diferentes alternativas. El estudio implica un nuevo análisis termal.

Como resultado de los cambios analizados la energía consumida por año se redujo en 338kWh/año.

9

BIM y control de proyectos

Referencia

Seokyon Hwang (Lamar University, Beaumont, Texas), and Liang Y. Liu (Univrsity of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois). BIM FOR integration of Automated Real-Time Projecto Control Systems. Proceedings of the 2010 Construction Research Congress, May 8-1. ASCE.

Este estudio intenta explorar la integración del BIM con sistemas en tiempo real. Para ello se revisó una gran cantidad de literatura para conocer la situación en la época del estudio tanto de los sistemas de control de proyectos en tiempo real como del BIM. También identificó una lista de condiciones o requerimientos para una integración exitosa.

Introducción

Se reconoce que tanto los sistemas automatizados de control de proyectos en tiempo real como el BIM han tenido una gran evolución en la gestión de proyectos de construcción.

Referencia: R. Sacks, R. Navon, I. Brodetskaia, and A. Shapira (Technion-Israel Institute of

Technology, Haifa, Israel). Feasibility of Automated Monitoring of Lifting Equipment in

Support of Project Control. Journal of Construction Engineering and Management. Vol

131, N° 5, May1, 2005. ASCE.

El control tradicional de proyectos requiere de un gran trabajo de operaciones de campo efectuadas manualmente, con consumo de tiempo y riesgo de errores. Ello motivó el desarrollo automatizado del control en áreas como el seguimiento y monitoreo, control de calidad, y control de seguridad.

El caso del BIM ha tenido un fuerte impacto y un desarrollo progresivo, pero no todas las herramientas de integración están disponibles. En particular, el BIM es fuerte en la etapa de diseño. Cuando se extiende a la fase de construcción hay que hacer un gran esfuerzo de implementación para mantener los modelos actualizados.

10

Situación de control de proyectos en tiempo real

Los distintos sistemas de control de proyectos en tiempo real, son categorizados por los autores según se muestra en la Figura 11.

Un grupo A para el monitoreo y control de procesos y operaciones en el sitio durante la construcción. Este grupo puede ser dividido en dos. En A-1 las operaciones de campo son monitoreadas constantemente. En A-2 se incluyen sistemas de apoyo a la gestión de operaciones de construcción, incluyendo gestión de documentos.

Un grupo B para funciones o tareas automatizadas de sistemas que operan o monitorean el ambiente de la construcción. También este grupo es dividido en dos. El B-1 para monitorear la salud de los sistemas de infraestructura, en particular de las estructuras de la edificación. El B-2 incluye los sistemas para monitoreo y control de los servicios, como aire acondicionado, control de seguridad, o prevención de incendios.

Diversas tecnologías se emplean en estos controles, como: dispositivos de identificación de radio frecuencia, sistemas de posicionamiento global, bandas ultra ancha, sensores embebidos, escáner láser 3D, cámara de video de alta resolución, fotogrametría digital, y redes inalámbricas de comunicación. De preferencia se emplean en ambientes exteriores ante algunas dificultades técnicas de ambientes interiores.

Integración con BIM

La integración del BIM con el control de proyectos en tiempo real ha estado limitada en áreas como seguridad, monitoreo de avances, gestión de recursos, y medidas de calidad. También hay esfuerzos en la cadena de suministros. En este último caso se han empleado tecnologías de radio frecuencia y GPS, pero en general la integración de BIM con tecnologías en tiempo real luce lenta.