Connecting People and Ideas . Proceedings of EURO ELECS 2015 . Guimarães . Portugal . ISBN 978-‐989-‐96543-‐8-‐9
Creatividad Sustentable: Simulación Ambiental en el Diseño Inicial de Viviendas Sustainable Creativity: Environmental Simulation in Early Design of Housing
Rodrigo García Alvarado Depto. Diseño y Teoría de la Arquitectura, Universidad del Bío-‐Bío, Concepción, Chile.
[email protected]
Cristían Muñoz Viveros CITEC, Depto. Diseño y Teoría de la Arquitectura, Universidad del Bío-‐Bío, Concepción, Chile.
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Gerth Wandersleben Depto. Diseño y Teoría de la Arquitectura, Universidad del Bío-‐Bío, Concepción, Chile.
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Esteban Zalamea Depto. Diseño y Teoría de la Arquitectura, Universidad del Bío-‐Bío, Concepción, Chile.
[email protected]
ABSTRACT: Environmental simulation is often applied in advanced stages of building design or when they are already executed, and pose minor adjustments with additional costs and low impact. This paper presents an experience in early stages of real-‐estate housing design, through the development of simulations by the same designers. It explores various solutions that provide substantial improvements in environmental performance with users’ acceptance. This experience has allow to identify relevance of geometry edition in simulation, as well as analysis of results, in order to suggest an integrated process in the early design to promote a sustainable creativity in architectural projects. RESUMEN: La simulación ambiental se suele aplicar en etapas avanzadas de los proyectos de edificación o cuando ya estan ejecutados, planteando ajustes adicionales menores, costosos y de bajo impacto. Este trabajo presenta una experiencia en fases iniciales del diseño de viviendas inmobiliarias, con el desarrollo de simulaciones por los mismos proyectistas. Explorando soluciones que otorgan mejoramientos sustanciales de desempeño ambiental, con aceptación de los usuarios. Esta experiencia ha permitido identificar la relevancia de la edición de geometria en las simulaciones y el análisis de resultados, para sugerir una estrategia integrada en el diseño inicial que promueva una creatividad sustentable en los proyectos arquitectónicos. 1
INTRODUCCION
Las viviendas son las construcciones que alojan la mayor parte de la vida humana, pero también producen una parte sustancial del consumo energético y de los gases efecto invernadero que están generando el cambio climático. En los países en desarrollo, como Chile, que carecen de reservas combustibles y poseen un alto crecimiento habitacional, además las viviendas presentan una baja calidad ambiental (Bustamante, 2009). Por esta razón explorar nuevas posibilidades de diseño residencial con alto desempeño ambiental y eficiencia energética es crucial. Los programas de simulación ambiental permiten analizar los proyectos de edificación para estimar su comportamiento y consumos energéticos (Hensen & Lambert,
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2011). Sin embargo, por la complejidad de estos programas, se utilizan mayormente en etapas finales de los proyectos, cuando el diseño está definido. Usualmente en edificios grandes, con consultores adicionales que sugieren mejoras pertinentes, pero con adecuaciones menores de especificación constructiva o de instalaciones, que generan impactos leves y mantienen las configuraciones generales (Jankovic, 2012; Anderson, 2014). Diversos estudios sugieren que modificaciones de la configuración formal, emplazamiento o aberturas de las viviendas, pueden generar mejoramientos significativos de la calidad ambiental y reducir sustancialmente el consumo energético (Bustamante, 2009; Choia, 2012; García & González, 2014). Se requiere por tanto explorar mayores alternativas en el proceso de diseño, evaluando directamente sus condiciones ambientales (Figura 1). La configuración general se establece al comienzo del proyecto según requerimientos de los mandantes y/o usuarios y las condiciones particulares del sitio. Para determinar características formales que otorguen mejor desempeño ambiental, se deben incorporar evaluaciones en esta etapa. Se han sugerido estrategias de diseño integrado, con múltiples especialistas trabajando conjuntamente, pero principalmente en países desarrollados y edificios de gran magnitud (Moe, 2008; Keeler M & Burke, 2009). Se han desarrollado algunas viviendas experimentales de alto desempeño ambiental (UPM, 2011), pero como experiencias individuales sin proyectarlas masivamente. Es relevante que las posibilidades de diseño sean también revisadas según consideraciones inmobiliarias, para proponer configuraciones nuevas con mejor desempeño pero también un alcance amplio. Este artículo expone una experiencia destinada a identificar los aspectos más relevantes y contribuciones de la simulación ambiental en la gestación del diseño residencial masivo, con el fin de promover una adecuada integración y lograr soluciones habitacionales creativas con mejor calidad ambiental. La experiencia consistió en elaborar proyectos alternativos a un diseño inmobiliario, por parte de tres arquitectos que dominaran simulación energética, solicitándoles propuestas que lograran un menor consumo energético con una adecuada calidad ambiental y aceptación de mandantes. Durante la elaboración de las propuestas, éstas fueron revisadas por expertos y potenciales usuarios para asegurar un desarrollo según requerimientos vigentes. De modo que el proyecto estuvo sustentado en capacidades integradas de diseño y la simulación, bajo condiciones similares al desempeño laboral.
Figura 1. Proceso tradicional de simulación en diseño (arriba) y experiencia desarrollada (abajo).
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DESARROLLO
Para la experiencia de proyecto se adoptó como referencia una vivienda inmobiliaria reciente en la ciudad de Concepción, Chile, considerando que representa una preferencia social y una capacidad de la industria local de la construcción. La vivienda fue seleccionada de una muestra de unidades habitacionales de la ciudad, que ha sido registrada y monitoreada durante dos años seguidos en el marco de una investigación nacional. Constituye uno de los ejemplos de nivel socio-‐económico medio-‐ alto, con buena calidad constructiva y desempeño ambiental, y gastos regulares en combustibles, que corresponden a las medias nacionales de demanda energética (Bustamante, 2009). Tabla 1. Características de la Vivienda de Referencia
Ubicación Altitud Clima Tipología Ocupantes Año de Construcción Altura Superficie Total Construida Superficie Primer Piso Superficie del Sitio Volumen Habitable Superficie Exterior Superficie de Vanos Transparentes Materialidad
Consumo Anual de Agua Potable Consumo Anual de Electricidad Consumo Anual de Gas Licuado Equipos de Climatización Consumos de Climatización Temperaturas Interiores Medias Humedad Relativa Media Permeabilidad al Aire
36º 46' 22" S y 73º 03' 47" O 12 msnm. Zona 4 OGCU – Sur Litoral Nch 1064 Templado marítimo (CsB según Koppen-‐Geiger) Vivienda Unifamiliar Aislada 2 adultos y 2 jóvenes 2010 2 pisos mas mansarda 119 m2 49,24 m2 162 m2 (9 x 18 mts) 281,01 m2 211,04 m2 21,27 m2 Piso: Radier de Hormigón 10 cm. sin ventilar Muros Primer Piso: Ladrillo prensado 14cm + estuco 1,5cm ambas caras + 10mm poliestireno exp. + yeso carton 10 mm Muros Segundo Piso: estructura metálica con aislación de 60mm (cámara de aire 40mm) + fieltro #10 + Fribocemento 6mm tinglado exterior y terciado 15mm interior Estuco 1,5cm + ladrillo prensado 14cm + estuco 1,5cm Cielos: yeso cartón 10mm + cámara de aire 80mm + yeso cartón de 10mm Techumbres: cubierta metálica + cámara de aire de 7cm + aislación lana mineral 100mm 14kg/m3 + yeso cartón 10mm Ventanas: Estructura de Aluminio con vidrio simple (6 mm.) 375 m3 1.730 kWh 144 m3 Estufa a Leña (combustión lenta) de 80 cc. 8 a 10 m3 de leña tipo, aprox. 8.150 kWh* 18,6°C en invierno (Des. Estand. 1,8°C)** 60% en invierno** N50 3,74 Renovaciones de Aire Hora a 50Pa**
**poder calorífico de 1.400 kWh/m3 y 85% de eficiencia ***Mediciones realizadas con instrumental en Septiembre 2013
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Figura 2. Vivienda Inmobiliaria de referencia.
Para experimentar de manera integrada la exploración de las formas y evaluación energética, se convocaron profesionales que tuvieran dominio de diseño de viviendas y simulación energética. Se logró involucrar tres arquitectos con postgrados recientes, solicitando elaborar proyectos iniciales de vivienda, con las mismas condiciones de ubicación, programa de recintos y materialidad que el caso de referencia. Para motivar la diversidad se les sugirió comenzar con formas básicas distintas; horizontal, vertical o longitudinal. Para conducir la experiencia como un proceso similar a los requerimientos de un diseño inmobiliario, se solicitaron evaluaciones intermedias de los proyectos a arquitectos expertos en vivienda, y a personas equivalentes a potenciales usuarios. Se otorgó a los proyectistas modelos de simulación del caso de referencia y se les solicito elaborar diseños que redujeran más de la mitad las demandas energéticas con un desempeño ambiental equivalente y lograr preferencia de los mandantes. Los evaluadores en cada sesión revisaban las tres alternativas en desarrollo (sin la asistencia de los proyectistas) con unos paneles de presentación resumida del diseño y de valores de calidad ambiental y demanda energética estimada, incluyendo el caso de referencia con la misma presentación. Se planteó un cuestionario de comprensión y preferencia comparativa, invitándolos a sugerir posibilidades de mejoramiento del diseño, que eran comunicadas posteriormente a los proyectistas. Un tesista de Magister actuó como coordinador de la experiencia con el apoyo y discusión de investigadores del proyecto. Tabla 2. Participantes
Rol Diseñadores
Cantidad 3
Usuarios
6
Arquitectos
6
Investigadores
3
Características Arquitectos sobre tres años de experiencia, incluyendo diseño de viviendas, y dominio de software de simulación Profesionales casados con hijos pequeños Arquitectos sobre diez años de experiencia y docencia en diseño de vivienda s Tesista MHSEE (Arquitecto con 3 años de exp.) y profesionales
Desempeño Elaboración del proyecto con metas de desempeño ambiental y aceptación por correcciones sucesivas Revisión de Diseños Revisión de Diseños
Gestión y Entrevista a Diseñadores
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Tabla 3. Condiciones de Simulación
U
Admitancia
Muro Ext. primer piso
1,04
0,42
Muro ext. Segundo y tercer piso
0,52
0,52
Muro interior piso 1
1,99
3,81
Tabique interior
2,27
0,42
Techo con aislación
0,35
0,47
Techo sin Aislación
5,62
5,56
Ventana
5,1
5
Ventana techo
2,7
2,8
Renovaciones de Aire (ACH)
1,5
1,5
Confort Térmico (min/max)
18,5
26
Ocupación personas por m2
9 (1per x zona)
40W/m2
Demanda Total en Calefacción Mayo-‐Oct.
8152,6 (Ecotect)
8150,2 (DesignBuilder)
La experiencia se extendió por aproximadamente nueve semanas, más cinco semanas de evaluaciones (en tres etapas, cada una de tres semanas de desarrollo y una o dos semanas de evaluaciones), desde Junio a Septiembre 2014. Los proyectistas mantuvieron una dedicación parcial en las semanas de desarrollo (aprox. 6 hrs. semanales), y las sesiones de evaluación se extendieron por más de una hora, realizando dos en cada etapa, más la revisión general de los investigadores y tesista-‐coordinador. Los proyectistas demostraron un compromiso relevante con la propuesta, aunque discutieron las metas de reducción energética y los comentarios recibidos de expertos y usuarios. Las sesiones de evaluación presentaron una asistencia irregular, en general fueron convocados 6 personas por sesión, pero llegaban 3-‐4, en que se repetían algunos, sin embargo los planteamientos generales eran similares. Los expertos valoraron medianamente la actividad y los diseños propuestos, comentando exhaustivamente sobre la organización funcional. Los usuarios apreciaban mayormente las alternativas, información ambiental y de gastos estimados, y se inclinaban por alguna de las opciones (distinta en cada ocasión), que lograra reducciones y una configuración adecuada, mencionado algunos aspectos más generales de diseño (cantidad de pisos, espacio exterior, etc.). en ambos casos no se presentaba una preferencia por el ejemplo inmobiliario, que se presenta de manera similar, aunque identificado su condición de referencia.
Figura 3. Evolución del Diseño de la Alternativa B con resultados de simulación.
Los proyectistas utilizaron una combinación de recursos de trabajo durante la experiencia, con una dedicación sustancial en el software de simulación, especialmente durante el desarrollo, como también en bocetos manuales (en particular al comienzo), programas de dibujo,
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modelación tridimensional, renderizado, planillas de cálculo y de presentación gráfica. Las configuraciones geométricas de los proyectos fueron modificados en el transcurso, lo mismo que diversos detalles, alturas, circulaciones, dimensión y ubicación de vanos y recintos interiores. Los cambios generales fueron estudiados con bocetos y programas de dibujo, pero la mayoría de las decisiones menores fueron evaluadas directamente en el modelo de simulación, generando planillas con resultados seleccionados para comparar. Gran parte de las modificaciones producían modificaciones leves en los indicadores ambientales y demandas energéticas, pero algunos permitían reducciones relevantes. Pero también las sugerencias de expertos y usuarios para lograr una mayor aceptación, implico adoptar nuevas configuraciones, modificaciones sin logros ambientales relevantes (incluso retrocesos).
Figura 4. Viviendas finales elaboradas en la experiencia.
Los diseños finales, que correspondieron a un anteproyecto arquitectónico, evidenciaron una evolución de las configuraciones con logros ambientales relevantes y buena aceptación, aunque no se alcanzaron totalmente las metas propuestas. Revelando también novedosas estrategias arquitectónicas para optimizar el desempeño, como un buen reconocimiento espacial de los usuarios. Por ejemplo la alternativa B, de un piso con adosamientos, alzando una reducción energética casi del 80% manteniendo un buen confort interior, y los usuarios valoraron la fachada, patio interior y terraza superior. Aunque constituye una tipología ausente del desarrollo inmobiliario vigente. Las restantes alternativas, alcanzaron también mejoras relevantes de comportamiento, con características arquitectónicas de construcción en altura o disposición extendidas que no se ejecutan regularmente en la zona. Demostrando que esta integración de capacidades permite elaborar nuevos diseños residenciales de mejor desempeño ambiental y aceptación pública. En las entrevistas y revisión del trabajo de los proyectistas se revela una utilización intensiva de los programas, algunos aspectos cruciales en el logro de mejoramientos ambientales relevantes. En primer lugar, disponer de una modelación fiable y comparable como referencia, en cuanto a los supuestos generales y condiciones específicas definidas. En particular sobre la tasa de renovación de aire y banda de confort según modelo adaptativo, que difiere de las recomendaciones usuales, pero que han sido ajustadas según estudios específicos en la zona. Como también respecto a la transmitancia de los elementos constructivos y ocupación de personas, que por un lado presentaban condiciones más altas de la construcción regular y por otras magnitudes inferiores a las usuales, aunque no han podido ser validadas directamente, se ajustaron al consumo de combustibles. Sin embargo en relación al proceso de diseño, se advierten también dos cuestionamientos adicionales en el uso del software de simulación. Por un lado la capacidad de edición geométrica de los programas, para modificar las formas que permitan estudiar variaciones de diseño, y por otro la carencia de apoyos o procedimientos de análisis de resultados, para identificar valores sustanciales y comprarlos entre alternativas, registrando las modificaciones involucradas.
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3. CONCLUSIONES Este artículo relata una experiencia de diseño inicial de viviendas inmobiliarias, con proyectistas que elaboran simulaciones ambientales para mejorar los desempeños durante el desarrollo, revisado con expertos y potenciales usuarios. El caso de base, y otros modelos de viviendas existentes, ha permitido configurar una situación de referencia, de alta aceptación y desempeño ambiental regular. La revisión de casos permitió detectar condiciones de simulación que reproducen el comportamiento residencial vigente, con algunos factores críticos, como la tasa de renovación de aire y la temperatura mínima de confort que modifican sustancialmente los valores globales. Debido a las variaciones calidad de construcción (alta infiltración) y de ocupación (diferencias de confort y rutinas de calefacción), además de diferencias relevantes en las posibilidades de financiamiento y condiciones ambientales según costo/tamaño de la vivienda (por nivel de ingreso familiar). El caso de referencia representa viviendas de familias de ingresos medio-‐alto que poseen una condición ambiental equivalente a un confort de mínimo 18.5° en invierno, con un consumo energético anual en calefacción de 8.000 kWha, correspondiente a gastos anuales de aprox. US$3.500 en gas o electricidad. En la experiencia desarrollada, tres proyectistas en dos meses de trabajo, elaboraron diferentes variaciones de una distinta tipología formal y similares características constructivas, que fueron sometidas a sesiones regulares de evaluación con paneles de expertos y público equivalente a potenciales usuarios. Exigiéndoles alcanzar un desempeño similar al existente con la mitad del consumo energético y aceptación similar. Las encuestas y entrevista a los diseñadores revelaron un uso intensivo de simulaciones ambientales en el proyecto, logrando mejoramientos sustanciales con distintas variaciones de configuración. Además del uso de programas de modelación arquitectónica y representación. En las simulaciones identificaron en particular las capacidades de edición geométrica y análisis de resultados como los aspectos cruciales para alcanzar altos desempeños con propuestas creativas. Lo que sugiere que una herramienta o relación directa entre modelos que facilite ese proceso, así como un registro de reducciones relevantes de demandas energéticas, en relación a cambios de configuración puede potenciar significativamente la exploración arquitectónica. Alcanzar una edificación con calidad y bajo impacto ambiental requiere nuevos diseños. En esta experiencia se demuestra una estrategia de trabajo y condiciones que pueden apoyar a una creatividad sustentable. REFERENCIAS Anderson K, 2014, Design Energy Simulation for Architects, New York: Routledge. Bustamante, W. 2009, Guía de Diseño para la Eficiencia Energética de la Vivienda Social. Santiago: Ministerio de Vivienda y Urbanismo. Choia Y., Choa S., & Kim T. 2012, Energy consumption characteristics of high-‐rise apartment buildings according to building shape and mixed-‐use development. Energy and Buildings. 46: 123–131, Garcia Alvarado R., Gonzalez A, 2014, Condiciones de forma y desempeño energético de viviendas unifamiliares en el centro-‐sur de Chile, en Revista INVI Vol.29 N80, 111.141 Hensen J. & Lambert T., 2011, Building Performance Simulation for Design and Operation, London: Spon Press,. Jankovic L. 2012, Designing Zero Carbon Buildings Using Dynamic Simulation Methods, New York: Routledge. Keeler M & Burke, 2009; Fundamentals of Integrated Design for Sustainable Building, Wiley: New York. Krygiel & Niels 2008, Green BIM, Indianapolis: Wiley. Moe K. 2008. Integrated Design in Contemporary Architecture. New York : Princeton Architectural Press. UPM, 2011, Solar decathlon Europe 2010, Towards Energy Efficient Building, Madrid: Universidad Politécnica de Madrid.
