Netzero de alta densidad : análisis de ciclo de vida y energías renovables aplicado a vivienda colectiva en Colombia

Abstract

NetZero Energy Buildings or buildings with almost zero energy consumption, are buildings with high energy performance in terms of operational energy, and which also seek to reduce their CO2 emissions in addition to other relevant environmental impacts, in accordance with international sustainable development commitments and reducing the use of fossil fuels. Although its specific parameters are being discussed, one of the strategies applied by these buildings to fulfill their purpose is the incorporation of small-scale renewable energy technologies to generate part or all of the energy demanded by it, which implies fewer emissions than using the power of the public network. The incorporation of these characteristics in high-density housing projects has great potential, since this is the most common and fundamental use in urban areas of the world for the benefit of the land.

Currently, photovoltaic panels, mini-wind turbines, biomass, geothermal energy, and solar collectors are the technologies with the greatest application on a small scale, where each one has characteristics, performance according to the climate, and also the environmental impacts produced in its manufacture, maintenance and end of life, that is, within its own life cycle, which are added to the count of total embedied impacts of the building. For this reason, the objectives of reducing impacts must consider the set of elements that are part of the building and develop balances that allow contrasting its benefits with respect to its own environmental footprint. This research delves into the first two technologies mentioned, since the remaining ones did not meet technical or feasibility requirements.

From this premise, hypotheses are generated that aim to question the proportion or contribution of the embodied energy of the renewable energy equipment to the total balance of the building, since only in this way can we refer to buildings with zero energy or emissions beyond of the operational stage. This is possible under a set of operations and data processing that include material quantities, balances, energy simulations, pre-dimensioning calculations, and life cycle inventory databases, which are applied to an "experimental prototype", which brings together the most common characteristics of a sector of collective housing projects in the city of Bogotá.

Thanks to the life cycle analysis and its progressive standardization in different industries and materials, it is possible to quantify energy and emissions not only in the operational stage, but throughout the entire life cycle of the building, which makes it possible to increase the evaluation range and the impact reductions in other stages, by achieving reliable quantifications of embodied energy or carbon, and allowing sustainable architecture and construction decisions to be made with an unprecedented level of detail. This constitutes a contribution to the strengthening of national and international policies on sustainable construction and energy efficiency, as well as methodological criteria for their development and application in residential projects.

In general, the application of renewable energies in the housing prototype increases the embodied energy and carbon considerably, while the operational energy and carbon decrease with certain differences between the implemented technologies, which could lead to the establishment of methods of “energy and/or carbon amortization”. Likewise, the contribution of embodied energy and carbon in this equipment to the total of the building represents a very small value given the magnitudes of these constructions, therefore, the analysis enters to contrast in greater detail the environmental performance in the operational energy and recycling potential stages that involves the surpluses generated by renewables.

Los NetZero Energy Buildings o edificios de consumo de energía casi nulo, son construcciones de alto desempeño energético en cuanto a energía operativa, y que, además, buscan reducir sus emisiones de CO2 además de otros impactos ambientales relevantes, de acuerdo con los compromisos internacionales de desarrollo sostenible y de reducción del uso de combustibles fósiles. Si bien sus parámetros específicos están siendo discutidos, una de las estrategias aplicadas por estos edificios para cumplir con su propósito es la incorporación de tecnologías de energía renovable de pequeña escala para generar parte o toda la energía demandada por el mismo, lo cual implica menos emisiones que usar la energía de la red pública. La incorporación de estas características en los proyectos de vivienda de alta densidad tiene mucho potencial, ya que este es el uso más común y fundamental en las áreas urbanas del mundo en provecho del suelo. Actualmente, los paneles fotovoltaicos, las turbinas mini eólicas, la biomasa, la geotermia, y los colectores solares, son las tecnologías de mayor aplicación en pequeña escala, donde cada una posee características, desempeños de acuerdo al clima, y también, impactos ambientales producidos en su fabricación, mantenimiento y fin de vida, es decir, dentro de su propio ciclo de vida, los cuales son sumados al conteo de impactos embebidos totales del edificio. Por ello, los objetivos de reducción de impactos deben considerar el conjunto de elementos que hacen parte del edificio y desarrollar balances que permitan contrastar sus bondades respecto a su propia huella ambiental. En esta investigación se profundiza en las dos primeras tecnologías mencionadas, ya que las restantes no cumplieron con requisitos técnicos o de viabilidad. A partir de esta premisa, se generan hipótesis que apuntan a cuestionar la proporción o aporte de la energía embebida de los equipos de energía renovable al balance total del edificio, ya que solo de esa manera podemos referirnos a edificios de cero energía o emisiones más allá de la etapa operativa. Esto es posible bajo un conjunto de operaciones y procesamiento de datos que incluyen cantidades de materiales, balances, simulaciones energéticas, cálculos de predimensionado, y bases de datos de inventario de ciclo de vida, que son aplicados a un “prototipo experimental”, el cual reúne las características más comunes de un sector de los proyectos de vivienda colectiva en la ciudad de Bogotá. Gracias al análisis de ciclo de vida y su progresiva estandarización en diferentes industrias y materiales, es posible cuantificar energía y emisiones no solo en la etapa operativa, sino en todo el ciclo de vida del edificio, lo que posibilita aumentar el rango de evaluación y las reducciones de impactos en otras etapas, al lograr cuantificaciones confiables de la energía o carbono embebidos, y permitiendo tomar decisiones de arquitectura y construcción sostenibles con un inédito nivel de detalle. Esto constituye un aporte para el fortalecimiento de las políticas nacionales e internacionales en construcción sostenible y de eficiencia energética, así como de criterios metodológicos para su desarrollo y aplicación en proyectos residenciales. En general, la aplicación de energías renovables en el prototipo de vivienda incrementa la energía y el carbono embebidos considerablemente, mientras que la energía y carbono operativos disminuyen con ciertas diferencias entre las tecnologías implementadas, lo que podría conducir a establecer métodos de “amortización energética y/o de carbono”. Así mismo, el aporte de energía y carbono embebidos de estos equipos al total del edificio representa un valor muy pequeño dadas las magnitudes de estas construcciones, por tanto, el análisis entra a contrastar con mayor detalle los desempeños ambientales en las etapas de energía operativa y de potencial de reciclaje que implica a los excede