Consejos para diseñar una casa con energía neta cero
En 2015, escribimos sobre Iowa Nest, una vivienda unifamiliar con energía net zero en la zona rural de Iowa. El proyecto, diseñado por Carl Sterner de Sterner Design, ahora con Sol Design + Consulting, combinó una forma optimizada con estrategias de diseño pasivas y activas para lograr el estado de energía net zero y una extraordinaria factura anual de servicios públicos de ¡sólo 24 dólares!
En 2015, escribimos sobre Iowa Nest, una vivienda unifamiliar con energía net zero en la zona rural de Iowa. El proyecto, diseñado por Carl Sterner de Sterner Design, ahora con Sol Design + Consulting, combinó una forma optimizada con estrategias de diseño pasivas y activas para lograr el estado de energía net zero y una extraordinaria factura anual de servicios públicos de ¡sólo 24 dólares!
Cuando la mayoría de los diseñadores se limitan a soñar, Sterner y sus clientes han hecho un seguimiento riguroso y han comparado el rendimiento de su proyecto tal y como fue construido con sus propuestas. Recapitularemos algunos movimientos de diseño de alto nivel y compartiremos cinco aprendizajes de su evaluación posterior a la ocupación.
Estadísticas del proyecto
- Tipo de proyecto: residencial unifamiliar, objetivo de energía net zero
- Ubicación: Iowa, EE. UU.
- Tipo de edificios: vivienda unifamiliar
- Superficie/Ocupación: dos pisos, 223 metros cuadrados de superficie habitable (más almacén y garaje sin acondicionar)
- Fase y fecha de finalización del proyecto: completado en el 2019
- Rendimiento inicial: IECC 2012
- Objetivo de rendimiento: energía neta cero, eficiente energéticamente, buena iluminación natural
La casa, después de la construcción. Imagen cortesía de Sterner Design.
El proceso del diseño
La empresa probó algunos diseños diferentes para lograr sus objetivos de energía net zero e iluminación natural en una casa. Se modelaron seis formas en SketchUp y se analizaron en Sefaira con el objetivo de mantener al menos 200 lux de iluminación natural durante el 60 % del año en las principales zonas habitables.
Estudios de la forma del edificio modelados en SketchUp y analizados en el plugin de análisis de luz natural de Sefaira. Imagen cortesía de Sterner Design.
En el diseño final, se incorporó una un área de desplante angosta, una forma compacta, ventanas más altas y un “pozo de luz” interior. Una vez encontrado el diseño conceptual ideal, se abordó el reto de mantener una temperatura constante en un clima mixto con inviernos muy fríos y veranos calurosos y húmedos. Se analizaron once estrategias de diseño utilizando Sefaira, lo que llevó a la decisión de especificar un elemento de concreto aislado bajo tierra (Insulated Concrete Formwork, ICF) y una combinación de pequeños voladizos fijos y paneles que se puedan operar sobre las ventanas orientadas al sur.
Análisis de la luz natural con SketchUp y Sefaira. Imagen cortesía de Sterner Design.
Todas las decisiones de diseño anteriores, además de las estrategias pasivas (ventilación natural, un tejido del edificio optimizado, dispositivos para generar sombra) y sistemas mecánicos eficientes, dieron como resultado una reducción prevista del 79 % en el uso de energía con respecto al código de referencia. Los paneles solares fotovoltaicos montados en el tejado, orientados al sur, se diseñaron para satisfacer la demanda de energía de la familia y hacer que el proyecto alcanzara la categoría de energía net zero y casa pasiva.
Comparación del uso de la energía mostrando un diseño de casa convencional frente al diseño de Iowa Nest. La combinación de estrategias de diseño condujo a una reducción del 79 % respecto al Código Internacional de Conservación de la Energía de 2012. Imagen cortesía de Sterner Design.
Para comprobar el rendimiento de estas estrategias de diseño a lo largo del tiempo, los ocupantes realizaron un seguimiento diligente de la temperatura y la humedad relativa de la vivienda en tres puntos de la casa, y midieron el consumo de energía por circuito. Esto permite a los propietarios asignar con precisión el uso de la energía a espacios específicos. Aquí, se presentan cinco lecciones que pueden extraerse de las cifras y del proceso de diseño.
1] Está bien cambiar de forma.
Los diseñadores están muy familiarizados con experimentar sobre las ideas de diseño y este proyecto refuerza el valor de probar y analizar múltiples formas de construcción antes de fijar una selección.
La propuesta original resultó ser dos veces superior al presupuesto. Simplificando su estructura y reduciendo ligeramente la superficie de la planta, Sterner Design pudo reducir los costos de construcción a la mitad, ajustar el diseño al presupuesto y lograr una reducción del 30 % en las cargas de calefacción y refrigeración.
Comparación de las cargas de calefacción y refrigeración entre las distintas opciones de diseño. Con la alternativa de diseño B, se logró una reducción del 30 % de la EUI. Imagen cortesía de Sterner Design.
Reflexionando sobre el camino hacia la forma construida final, Sterner recomienda que “..llevar a cabo un estudio de forma que compara las formas compactas frente a las alargadas habría sido una forma más eficiente de identificar la forma ideal del edificio.”
El modelado y el análisis rápido de estos modelos sencillos de Whitebox en SketchUp y Sefaira permiten comparar eficazmente los edificios en función de su forma. Imagen cortesía de Sterner Design.
El aprendizaje: modelar y analizar rápidamente múltiples formas para encontrar oportunidades de ahorro de energía y costos.
2] Cuando sea posible, refinar y simplificar.
El cambio de forma y la complejidad obtenidos dieron lugar a una disminución del 10 % en el uso de energía.
Uno de los rasgos distintivos de la buena arquitectura es que la creatividad y la función se fusionan para crear una forma de construcción refinada y casi incuestionable. Las ventajas de ‘simplificar’ el diseño van más allá de ofrecer una gran arquitectura y aumentar la constructibilidad; también puede reducir el consumo de energía. Al reducir el número de juntas, esquinas y conexiones de su propuesta original sin dejar de cumplir los requisitos espaciales de su cliente, Sterner Design logró una reducción considerable del 10 % en el uso de energía. Según Sterner, “esta experiencia me ha demostrado lo estrechamente relacionados que están el diseño y el rendimiento. Al volver a analizar algunos de los movimientos básicos del diseño, conseguimos un diseño más eficiente energéticamente con una reducción del 50 % del costo de capital en comparación con el diseño original. El diseño de energía cero o vivienda pasiva no es algo que pueda añadirse fácilmente a un diseño al final, sino que debe formar parte del ADN del diseño.” El análisis de las opciones de diseño desde el principio y con frecuencia creó la oportunidad de mantener conversaciones más significativas con el cliente: los datos concretos dieron a los clientes la confianza necesaria para aprobar los cambios que seguían cumpliendo el encargo y les ahorraban capital y costos operativos.
La lección: sin duda, merece la pena mantener las cosas (relativamente) sencillas. Simplifique su diseño para ofrecer una gran arquitectura, aumentar la constructibilidad y reducir el consumo de energía.
3] Elegir los sistemas activos de climatización adecuados.
Los diseñadores estarán de acuerdo en que especificar el sistema de climatización adecuado puede elevar o hundir sus esfuerzos de lograr una construcción pasiva. No solo puede suponer un ahorro de espacio y un mejor ambiente interno, sino que su elección de climatización también puede suponer un aumento de los costos de capital y de funcionamiento para su cliente.
Una vez más, aprovechar el análisis de climatización de Sefaira desde el principio y frecuencia para probar combinaciones de sistemas que podrían funcionar para su emplazamiento y proyecto específicos podría ser la diferencia entre que su cliente gaste o ahorre miles de dólares.
Iowa Nest acabó con sistemas de climatización más baratos que los convencionales, pero que proporcionaban un mayor confort y calidad del aire interior, y contribuyeron a que alcanzara energía net zero. ¿Cómo? En primer lugar, eliminando el aire acondicionado, lo que no es fácil con el clima mixto de Iowa.
Comparación del costo del sistema de climatización para el diseño. La opción del medio era la propuesta original y la tercera opción refleja el diseño final. Imagen cortesía de Sterner Design.
El proyecto incorpora estrategias de diseño pasivo como elementos enterrados, sombreado, ventilación natural y minimización de las cargas internas. Esto redujo las cargas de refrigeración hasta tal punto que el diseñador pudo evitar el aire acondicionado por completo. Asimismo, el alto aislamiento, la buena impermeabilización y el diseño solar pasivo redujeron las cargas de calefacción hasta tal punto que se pudo especificar un sistema de calefacción radiante eléctrico pequeño y barato.
Aunque la ineficacia de la calefacción eléctrica radiante no suele encajar en una vivienda con energía net zero, en este caso las cargas eran tan pequeñas que la penalización energética era mínima y podía compensarse fácilmente con algunos paneles fotovoltaicos adicionales.
La lección: examinar las estrategias de climatización y envolvente combinadas.
4] Dibujar los detalles.
Notas detalladas sobre el aislamiento de las ventanas de la vivienda. Modelado en SketchUp con detalles constructivos creados en LayOut. Imágenes cortesía de Sterner Design.
Sterner aprovechó SketchUp y LayOut para dibujar y producir un conjunto completo de detalles habituales y a la medida para lograr la impermeabilidad y un entorno interno estable. Especificó cómo debían sellarse y aislarse los detalles típicos de los muros, las uniones de las paredes a medida, las ventanas y las puertas.
Capa de aislante de la vivienda resaltada (izquierda). Aislamiento térmico de la vivienda resaltado (derecha) Imagen cortesía de Sterner Design.
Este nivel de rigor dio como resultado un interior hermético, sin corrientes de aire, y con escasas o nulas fluctuaciones de la temperatura interna, a pesar de un Δ de temperatura anual registrada de 20 °C en el lugar.
Datos de comparación de temperaturas que muestran las temperaturas interiores (líneas azul, rosa y roja) frente a la temperatura exterior (línea negra) sin calefacción activa durante el vórtice polar de febrero del 2021. El diseño proporciona una temperatura interna estable y confortable a pesar de las fluctuaciones exteriores. Imagen cortesía de iowanest.com.
La lección: profundizar en los detalles y las especificaciones para garantizar una construcción excelente y el confort de los ocupantes.
5] Más allá de la EUI: estrategias y métricas para una construcción pasiva.
Aunque la EUI es excelente para la evaluación comparativa y la comprensión de lo bueno que es un diseño en general, no es una gran métrica de diseño. Puede ocultar problemas potenciales, especialmente en torno al confort térmico y los problemas de carga elevada. Más adelante en el proceso de diseño, un ingeniero observó que la propuesta original, que habría costado el doble del presupuesto, probablemente habría tenido habitaciones frías en invierno y una oficina sofocante en verano. Esta distribución desigual del calor también podría haber requerido un sistema de climatización más complejo, costoso y/o grande para aliviar esto.
Al realizar el análisis del confort térmico utilizando la métrica de la temperatura operativa, el equipo pudo eliminar la necesidad de aire acondicionado, especificar un sistema de climatización más pequeño y barato, y evitar las habitaciones incómodas dentro de la casa.
Una vez establecida una línea de base razonable de EUI, vale la pena evaluar otras métricas como las cargas máximas, la temperatura operativa, la autonomía térmica (el porcentaje de tiempo que un espacio mantiene el confort de forma pasiva), proporcionando una visión más detallada y significativa durante el diseño.
El poder de las estrategias de diseño pasivo: con el costo final del proyecto, incluida la valoración del tiempo de construcción a precios de mano de obra estándar, la construcción sigue costando un 9 % menos que una casa convencional.
Hay más información sobre el proyecto, incluido el confort térmico y los datos energéticos, disponible en la página web de la vivienda, www.iowanest.com.
Acerca de Carl Sterner
Carl es director de Diseño y Sostenibilidad de Sol Design + Consulting. Supervisa el diseño y la entrega de proyectos altamente sostenibles, incluidos los diseños certificados Passive House, LEED Platino y Living Building Challenge. Cree en el poder del diseño para ayudar a conseguir un mundo más humano, equitativo y alegre.