Modelado de edificios: Evolución y nuevas perspectivas

La simulación de edificios es una actividad que alcanza ya seis décadas; no obstante, no ha sido del todo aprovechada en México, pero esto está cambiando. Instituciones educativas, como la Universidad de Puebla, desarrollan herramientas vanguardistas que suscitarían un cambio radical en la industria de la edificación

Iván Oropeza Pérez

Los programas de simulación de desempeño de los edificios son herramientas que han estado ganando popularidad entre los expertos en arquitectura sustentable, ello debido a su relativa facilidad de implementación, la velocidad de respuesta y accesibilidad económica. Estas herramientas están en constante evolución, principalmente por dos razones: la búsqueda de modelos más precisos que simulen las variantes de entrada y de salida cercanos a la realidad; y la creciente implementación de nuevos sistemas en los edificios, como energía solar fotovoltaica, bombas de calor, nuevos sistemas pasivos de climatización, entre otros, que tienen que ser modelados por estos programas. Estos programas, una vez que tienen un correcto funcionamiento, permiten calcular variantes que sirven para encontrar el mejor diseño arquitectónico del edificio y comportamiento de los usuarios con base en las características climatológicas del lugar.

Así, por ejemplo, en un clima dado, un programa de simulación de edificios construye un modelo de simulación que calcule la temperatura interior cambiando la capacidad térmica de la estructura, la orientación de las ventanas, la altura del techo, el color de las paredes (diseño arquitectónico), así como regulando el número de ocupantes, el horario de ocupación, la apertura de puertas y ventanas, las ganancias de calor internas, (comportamiento de los usuarios), etcétera, para calcular la temperatura interior de confort sin la necesidad de utilizar complejos y costosos modelos experimentales.

Hay diferentes modelos de simulación de edificios que calculan el flujo de calor a través de la envolvente hacia o desde el interior del edificio, las ganancias de calor totales a un edificio por conducción y radiación; el comportamiento lumínico del edificio, el flujo de aire (natural o mecánico), entre otras funciones. Todos estos programas tienen el objetivo de obtener la mayor cantidad de información para diseñar el inmueble, siempre pensando en mantener un confort interior adecuado con un uso mínimo de recursos, principalmente energía y agua.

Desarrollo de los modelos de simulación de edificios
Década de 1960. La historia de la simulación de edificios se puede remitir a principios de ésta, en Estados Unidos, cuando la Sociedad Americana de Calefacción y Aire Acondicionado (ASHAE, por sus siglas en inglés) se fusiona con la Sociedad Americana de Ingenieros en Refrigeración (ASRE) para crear la Sociedad Americana de Ingenieros en Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE).

En esta asociación se escriben los primeros trabajos sobre la transferencia de calor a través de paredes, usando Métodos de Factor de Respuesta (RFM, por sus siglas en inglés). Luego de algunos años, las compañías de aire acondicionado comenzaron a calcular el flujo dinámico de calor en los edificios para determinar las cargas pico de enfriamiento; sin embargo, no fue sino el ejército americano el que vio el potencial de usar computadoras para este fin.

El Buró Nacional de Estándares (NBS, por sus siglas en inglés), patrocinado por la milicia estadunidense, desarrolló el primer programa de simulación capaz de predecir el desempeño térmico de un edificio: Determinación de Cargas del Buró Nacional de Estándares (NBSLD, por sus siglas en inglés); sin embargo, este programa era muy básico, ya que sólo podía calcular una habitación. No obstante, este fue el primer gran paso para el desarrollo de modelos de simulación de edificios.

En 1967, al mismo tiempo que NBSLD, se desarrolló Procedimientos Automatizados para Consultores de Ingeniería, el cual desarrolla su programa Cálculo de Cargas Pico de Calefacción y Enfriamiento, que determina las cargas horarias y anuales de los sistemas de calefacción y aire acondicionado.

Década de 1970. Mientras la primera conferencia sobre simulación computacional de edificios es llevada a cabo en Maryland, Estados Unidos, y la Oficina Postal de Estados Unidos crea el Programa de Oficina Postal, por encargo, capaz de analizar el uso energético en los edificios postales, el embargo petrolero por parte de los países árabes obliga a Estados Unidos a desarrollar su primera norma de eficiencia energética de edificios. Así, ASHRAE desarrolla la norma ASHRAE Standard 90-75, la primera para alcanzar la conservación de energía en edificios del mundo.

A mitad de esta década, el Laboratorio de Investigación de Ingeniería de Construcción del ejército de Estados Unidos (CERL, por sus siglas en inglés) crea el Análisis de Cargas de Edificios y Sistemas Termodinámicos (BLAST).

Al mismo tiempo, la Administración Nacional de Aeronáutica y Espacio (NASA, por sus siglas en inglés) retoma el Programa de Oficina Postal y desarrolla el Programa de Análisis de Costos Energéticos (NECAP, por sus siglas en inglés). Tiempo después, la Administración de Investigación y Desarrollo Energético (ERDA, por sus siglas en inglés) junto con Comisión Energética de California (CEC) perfeccionan NECAP y los renombran CAL-ERDA, convirtiéndose después en DOE-1, y DOE-2.

Independiente a estos hechos, la estudiante de doctorado, Sandy Klein, de la Universidad de Wisconsin-Madison, desarrolla un programa computacional basándose en Fortran, para predecir el uso energético de un edificio modelo. A este programa lo nombró Programa de Simulación de Sistemas Transitorios (TRNSYS).

Década de 1980. Se caracterizó por la consolidación y actualización de los programas existentes. DOE-2 se actualiza a DOE-2.1, mientras BLAST se llega a alcanzar BLAST-2.0. Así también, el uso de programas de simulación es cada vez más usado para desarrollar y analizar estándares y códigos de edificios a lo largo del mundo.

En esa misma década, Carrier desarrolla el programa Estimación de Cargas Comercial v1.0, el cuál es seguido por HAV v1.0, programa que hace el análisis energético en periodos de una hora.

En 1987 se crea la Asociación Internacional de la Simulación del Desempeño de Edificios (IBPSA, por sus siglas en inglés), organización que tiene por objetivo ser el punto de encuentro de todos los desarrolladores de programas de simulación de edificios alrededor del mundo.

Década de 1990. A principios de esta década, el programa DOE-2.1 se actualiza nuevamente a un programa mucho más gráfico, por lo que se desarrolla junto con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LNBL, por sus siglas en inglés) la versión PowerDOE v1.0; sin embargo, una disputa entre los creadores de PowerDOE hace que se creen dos versiones: PowerDOE y DOE-2.2. Así, PowerDOE no puede continuar con su política de software libre y en pocos años se convierte en eQUEST v1.0, que sigue hasta hoy. Por otra parte, DOE-2.2 se fusiona con BLAST-2.1, el cual ya no estaba patrocinado por el ejército americano y, con esto, en 1996 se crea la primera versión de EnergyPlus, programa de simulación que es dirigido ya por el Departamento de Energía de Estados Unidos.

También se desarrollaron programas como el IES Virtual Environment, derivado de ESP+ y Análisis Térmico Apache, que usaba un Sistema de Diseño Integrado al Edificio (BIDS, por sus siglas en inglés). El programa IES es la primera versión comercial de una herramienta de análisis integrado al edificio que usa un modelo común de datos para todo su rango de aplicaciones de análisis.

A finales, Bentley crea un Modelado de Información del Edificio (BIM, por sus siglas en inglés), compatible con los Modelos Energéticos de Edificios (BEM, por sus siglas en inglés). Así, en 2000 se lanza el programa Green Building Studio.

2000 al presente. La simulación de edificios tiene un gran desarrollo debido a dos importantes acontecimientos: el crecimiento y multiplicación de los estándares energéticos en los edificios alrededor del mundo, y el surgimiento de la certificación energética de edificios.

En 1998, el Consejo de Edificios Verdes de Estados Unidos (USGBC, por sus siglas en inglés) lanza el programa piloto del Liderazgo en Diseño Energético y Ambiental (LEED, por sus siglas en inglés). Al mismo tiempo, la norma ASHRAE 90.1 obliga a utilizar modelos de simulación energética para verificar la eficiencia de los edificios.

En 2007, LEED introduce un requerimiento mínimo de dos puntos para demostrar la eficiencia energética del edificio y así otorgar la certificación. Alrededor de 90 % de los solicitantes usan modelos de simulación para demostrar esto. En 2009, LEED v.3 pone mucho más peso a demostrar el uso eficiente de energía el edificio, por lo que casi se asegura el uso de modelos de simulación para obtener la certificación.

Así, para 2010, firmas como Autodesk y Bentley dominan el mercado de la simulación del desempeño de edificios en Estados Unidos, con programas como Ecotect, Hevacomp Simulator, Design Builder, eQUEST y TRNSYS. Mientras que en otros países también se realizan programas como Thermal Analysis Simulation, IES-Virtual Environment y ESP-r en Reino Unido, DeST en China, Doums Procel Edifica en Brasil y BSim en Dinamarca.

Asimismo, se desarrolla a plenitud la Dinámica Computacional de Fluidos, herramienta que no sólo tiene uso en las edificaciones, sino en otros campos como la aeronáutica, la dinámica de automóviles, etcétera. Estos modelos simulan el comportamiento del flujo de aire, transferencia de calor y transferencia de masa de un sistema dado a nivel de micro-escala.

simulacion-de-edificios

La simulación de edificios tiene un gran desarrollo debido a dos importantes acontecimientos: el crecimiento y multiplicación de los estándares energéticos en los edificios alrededor del mundo, y el surgimiento de la certificación energética de edificios

Simulación de edificios en México
En México, por su parte, con la introducción de las normas energéticas NOM-008 (para edificios comerciales y de servicios en 2001) y la NOM-020 (para edificios residenciales en 2011), se comienza la introducción de los modelos de simulación.

La NOM-080 y NOM-020 calculan la ganancia de calor por conducción y radiación de un edificio, tomando en cuenta el coeficiente global de transferencia de calor (U) de la envolvente (para la conducción) y los elementos de control solar y características de las ventanas (para la radiación). De esta norma, se desarrolla el programa NOM-008, el cual realiza estos cálculos y determina si el edificio tiene menor ganancia de calor que un edificio de referencia. Si es así, el edificio en proyección cumple con la norma.

En 2012, investigadores de la UNAM, la Universidad de Sonora, la UAM-Azcapotzalco, la Universidad Autónoma de Tamaulipas, la Universidad de Colima y el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico desarrollaron el programa Ener-Habitat, herramienta que calcula dinámicamente la transferencia de calor en diferentes componentes de la envolvente, como el techo y las paredes, cambiando las características térmicas de los materiales de construcción. Una característica de este modelo de simulación es la posibilidad de cambiar las capas de los sistemas constructivos en homogéneas y no homogéneas. Otra característica es la evaluación del sistema con aire acondicionado y sin aire acondicionado, respectivamente.

Una desventaja del sistema es que sólo calcula la transferencia de calor por unidad de área de los sistemas constructivos de la envolvente, sin tomar en cuenta factores muy importantes como ventanas, número de ocupantes, cargas de calor internas, entre otras.

En 2015, en el Departamento de Arquitectura de la Universidad de las Américas Puebla (UDLAP), se desarrolla el programa de posicionamiento solar SolarTiuh v1.0, el cuál calcula la posición del sol con el azimut (ángulo desde el eje imaginario sur-norte hasta la posición del sol sobre el plano horizontal) y la altura solar (ángulo desde el plano horizontal hasta la altura del sol), solicitando solamente la latitud del lugar, el día del año y la hora del día. Con este programa se espera que los arquitectos y personas vinculadas a la construcción tengan una herramienta adecuada para diseñar sistemas de control solar que permitan optimizar el confort térmico y lumínico del edificio.

Tendencias
Aún falta mucho por hacer con la simulación de edificios en México. Es por esto que es necesario que en el país se empiecen a desarrollar más modelos de simulación energética, de información de edificios, de iluminación y demás. Principalmente porque las complicaciones de utilizar modelos de simulación de otros países son diversas. La utilización de bases de datos climatológicos impropias para México, el uso de materiales de construcción diferentes a los usados en México, el diferente comportamiento de los usuarios y los métodos de certificación energética de edificios diferentes a las características de México son las más comunes.

Es por eso que se plantea crear un modelo que analice el contexto mexicano en términos de condiciones climatológicas, diseño arquitectónico y comportamiento de los usuarios para que se garanticen las condiciones de ambiente interior y uso eficiente de los recursos en los edificios ubicados en territorio nacional.

Un avance a este propósito es la instalación de la Sección México de IBPSA, llevada a cabo en enero de 2015 en las instalaciones de la UDLAP por parte de académicos de la Universidad de las Américas Puebla, de la Universidad Nacional Autónoma de México, de la Universidad Autónoma de Chiapas, y de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Con esto se espera que cada vez más universidades e instituciones de investigación en México se sumen al desarrollo de modelos de simulación energéticos, termodinámicos, lumínicos y más.

Sobre el autor

Iván Oropeza Pérez
Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana. Maestro en Ingeniería (Energía) por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Asistente de Investigación en el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Doctor en Ingeniería Civil por la Universidad de Aalborg, Dinamarca. Actualmente profesor de tiempo completo en el Departamento de Arquitectura de la Universidad de las Américas Puebla. Presidente de la Asociación Internacional de la Simulación del Desempeño de Edificios sección México (IBPSA-México). Miembro de la Asociación Nacional de Energía Solar. Miembro de la Red de Vivienda CONACYT. Coautor de un libro sobre el potencial de la ventilación natural en México, diversas memorias en congresos nacionales e internacionales, y diversos artículos en revistas de investigación científica internacionales y de arbitraje estricto. Revisor de diversos artículos relacionados con la climatización pasiva de edificios y su consumo energético.

Deje un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada..Los campos marcados son obligatorios *

*