BIM para estudios energéticos – CEIP EL Algarrobillo

C.E.I.P. El Algarrobillo – Valencina de la Concepción (Sevilla)

De la metodología BIM al análisis energético.

 

 

Los problemas de confort dentro de sus aulas que sufren los colegios españoles debido las altas temperaturas durante la primavera y el verano, es un tema de preocupación social que se extiende a toda la geografía española, y sobre todo a los padres de alumnos de los colegios del sur de la península.

Estas condiciones extremas que se dan en  la escuela CEIP El Algarrobillo, ubicada en Valencina de la Concepción, en la provincia de Sevilla, llevó al AMPA (Asociación de Padres de Alumnos) a buscar soluciones con el fin de mejorar las condiciones de habitabilidad de los alumnos y el resto del personal dentro de la escuela.

La escuela ocupa una superficie de unos 9000 m² y consta de varios cuerpos desarrollados en dos niveles para un volumen total de aproximadamente 4400 m³.

 

 

En el lado norte el volumen alberga la escuela infantil; en el medio hay tres volúmenes que albergan la escuela primaria; al sur encontramos el gimnasio.

Para mejorar la habitabilidad dentro de las instalaciones de la escuela, es necesario analizar el estado actual del edificio, detectar las áreas de mejora y/o oportunidad que causan las altas temperaturas y, finalmente, ofrecer soluciones de intervención.

En general, la escuela está en buenas condiciones, pero la existencia de ventanas antiguas y la falta de capas aislantes en la envolvente del edificio, junto con la falta de sistemas de aire acondicionado, son la causa principal de las altas temperaturas dentro de las instalaciones durante los meses más calurosos del año.

 

MV-BIM, en contacto con al AMPA del colegio, se comprometió por medio del departamento I+D  a realizar un levantamiento digital del estado actual del edificio, para someterlo a análisis energéticos y detectar las áreas de oportunidad y mejora.

Para ello, utilizamos la metodología BIM (Building Information Modeling) a través de la cual partimos de un levantamiento geométrico con escaneado láser produciendo una nube de puntos georeferenciados, que es un conjunto de puntos caracterizados por su posición en un sistema de coordenadas y por valores de intensidad (color, profundidad, etc.) asociada con ellos, para posteriormente construir un modelo tridimensional (BIM) en el que cada elemento que lo compone tiene información de sus características físicas, térmicas,  (materiales, características térmicas, etc.).

 

La nube de puntos se obtiene a través de un instrumento de escaneo láser. En este caso, se utilizó el modelo GEO SLAM ZEB-REVO, compuesto por un sensor láser con una unidad de medición inercial conectada por un cable de datos a una batería y un disco duro. El escáner de 100 Hz y el campo de visión de 360 ° permiten una adquisición de datos de forma rápida, precisa y de alta calidad.

Para realizar la escaneado, se posicionan 6 objetivos esféricos que se utilizan tanto para la unión como para la geo-referenciación de las diferentes escaneados.
Cuando se enciende el instrumento, comienza a encuadrar un objetivo y luego comienza a caminar alrededor del edificio para escanearlo en todas sus partes.

Mientras caminas y el instrumento registra datos. El registro se realiza automáticamente entre nube-nube con la técnica SLAM (Simultaneous Localisation And Mapping), usando ya sea el procesado con el software GeoSLAM Desktop o el GeoSLAM Cloud de procesado en la nube de pago por uso.

El resultado es la nube de puntos 3D en formato .las, y también los ficheros de la trayectoria. Se extrae el fichero .las compatible con todos los paquetes de software de tratamiento de nubes de puntos del mercado.

En este punto, se puede vectorizar o digitalizar los planos de una nube de puntos de una manera fácil y rápida utilizando los planos vectoriales como archivos DWG, DXF o DAE.

Para el modelado tridimensional en BIM se utilizó el software Autodesk Revit. En la primera fase, todo el edificio se modeló con un LOD (nivel de desarrollo) 100, es decir, creando una masa conceptual compuesta solo de volúmenes sin tener en cuenta los diversos elementos constructivos que los componen como paredes, pisos, ventanas, etc. Luego se creó un modelo tridimensional más detallado (LOD 200), que define todos los elementos de construcción (muros externos, tabiques internos, pisos, puertas, ventanas y, finalmente, la definición de las habitaciones).

 

 

La construcción del modelo tridimensional fue útil para estudiar el aspecto energético a través del uso de diferentes programas. Específicamente, utilizamos software diferente como Insight, Green Building Studio y Design Builder para poder extraer información diferente de cada uno de ellos.

A partir del modelo arquitectónico (masa conceptual), fue posible crear un modelo energético, que es un tipo especial de geometría utilizado para que el motor de simulación energética EnergyPlus se exporte dentro del software Insight. Según el esquema gbXML, el modelo energético tiene tres componentes principales: los compartimentos (volúmenes o masas de aire en los que se produce la dispersión o el aumento del calor); las superficies (rutas de la transferencia térmica en o desde cada compartimento) y las zonas (grupos de habitaciones utilizados para establecer un aspecto común entre ellos, como la orientación o la función).

 

 

 

Con el software Insight se ha creado un modelo que muestra las cargas de calefacción (Heating Loads) y las cargas de refrigeración (Cooling Loads) representadas por una escala cromática. Este tipo de representación es útil para comprender mejor qué volúmenes sufren más el problema de las altas temperaturas durante el verano.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Del software Green Building Studio, en cambio, se obtienen algunos gráficos que muestran el consumo total de energía (en kWh) y el consumo de combustible (en kBtu) durante los distintos meses del año.

 

 

Como resultado de los análisis anteriores, detectamos que los volúmenes que más sufren el problema del exceso de temperatura son los ubicados al este, al sur y al oeste. Considerando que la escuela es atendida en la franja de tiempo que va de 8:00 a 16:00 aproximadamente, el volumen de aulas más penalizado es el que se ubica en el este, ya que el gimnasio está ubicado en el sur, mientras que el volumen hacia el oeste está penalizado en el horario en el que han terminado las actividades escolares.

 

El software DesignBuilder se utilizó para extraer los valores de temperatura generados dentro de las instalaciones durante el verano y el consumo de energía durante el invierno. Para este fin, el modelo arquitectónico se construyó en Revit (LOD 200) y luego se exportó a DesignBuilder. En este paso, desde el software Revit fue posible exportar solo los objetos (compuestos por volúmenes) y la definición de las salas. Todos los atributos de objetos individuales (estratigrafía, grosor, valores de transmitancia) se han definido en el software DesignBuilder.

Los valores de temperatura se han obtenido teniendo en cuenta solo los períodos más desfavorables, que son los períodos del 1 al 15 de junio y del 1 al 15 de septiembre (se ha excluido el período que coincide con las vacaciones de verano). Para cada uno de estos periodos se realizaron 5 casuísticas para observar cómo fluctuaban los valores de temperatura máxima y mínima en las aulas:

1. La primera prueba considera la condición de hecho del edificio en el que todas las ventanas están compuestas de una sola capa de vidrio, mientras que las paredes externas de la fachada y la losa del techo están libres de capas aislantes;
2. La segunda prueba consiste en reemplazar las ventanas viejas con ventanas de PVC hechas de una doble capa de vidrio para asegurar un excelente rendimiento de aislamiento, promoviendo la retención de calor, disminuyendo la disipación y, en consecuencia, incrementando el ahorro de energía y la comodidad con un aislamiento acústico más efectivo;
3. La tercera prueba, además de la anterior, prevé la aplicación de capas aislantes en las paredes externas, como los paneles aislantes de placa de yeso con membrana de vapor integral;
4. La cuarta prueba, además de la anterior, contempla la aplicación de materiales aislantes, como capas de lana de roca, en la cubierta;
5. Finalmente, la quinta prueba, además de la anterior, contempla la instalación de un sistema HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) que incluye todos los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado.
   

   Prueba 1	Como construido (sin mejora)
   Prueba 2	Prueba 1 + ventanas de doble acristalamiento
   Prueba 3	Prueba 2 + pared externa aislada
   Prueba 4	Prueba 3 + techo aislado
   Prueba 5	Prueba 4 + sistema HVAC
   Prueba 6	Prueba 4 + piso exterior aislado

Los resultados de las diversas pruebas muestran que las mejoras hechas a los elementos del edificio por sí solos no cambian significativamente el valor de la temperatura (siempre por encima de 30 ° C) dentro de las instalaciones en comparación con el modelo del estado actual del edificio. Para reducir este valor, es necesario prever la instalación de un sistema HVAC (prueba 5) y obtener valores de temperatura inferiores a 27 ° C. De lo cual sacamos la valiosa conclusión de que ninguna actuación arquitectónica que no fuera la instalación de aire acondicionado, aportaría a las aulas el nivel de confort deseado.

Al mismo tiempo, se obtuvo el consumo total de energía durante el período de invierno del 15 de noviembre al 15 de febrero. También en este caso, se realizaron diferentes pruebas y se consideró una prueba adicional (prueba 6), que también considera el aislamiento en el piso externo. Los valores obtenidos para el volumen individual estudiado se compararon con el consumo real de todo el edificio registrado en promedio en un año.

Con la prueba 4 y la prueba 6 se obtiene el mejor resultado, lo que permite ahorrar respectivamente el 67% y el 80% del consumo anual de energía que, en comparación con el costo anual actual de € 2,750, se traduce en un ahorro de aproximadamente € 1,850 por año considerando la hipótesis de la prueba 4 y € 2,200 por año considerando la hipótesis de la prueba 6

Consumo real
Consumo de energía (LPG/Propano)	5000 litros/año
	34.500 kWh (6.9kWh/l)
Costo energético (LPG/Propano)	2750 € (0,08€/kWh)
Emisiones de CO2	7.550 kg (1.51kg/litro)

 

	total kWh (todo volumen)	total € (todo volumen)	Total kWh (Volumen individual)	€/year (Volumen individual)	ahorro de dinero (€/año por Volumen Individual)	ahorro de dinero (€/año por todo volumen)	% ahorrado
Prueba 1	34500	2750	9282	742,56	0,00	0,00	0,00
Prueba 2	34500	2750	8838	707,04	35,52	132,02	4,80
Prueba 3	34500	2750	5212	416,96	325,60	1210,21	44,01
Prueba 4	34500	2750	3039	243,12	499,44	1856,35	67,50
Prueba 6	34500	2750	1801	144,08	598,48	2224,47	80,89

 

Este ahorro sin duda podría ser útil para amortizar parcialmente el costo de la intervención, pero el aspecto más importante será mejorar el edificio con componentes de mayor rendimiento y hacer que todo el trabajo sea más sostenible y eficiente. De esta forma MV-BIM ha demostrado, mediante el proceso de digitalización de edificios existentes, la utilidad de tecnología BIM para el estudio y propuesta de mejoras energéticas.

De la misma forma el modelo BIM, que ha supuesto el levantamiento digital del estado actual del edificio del colegio, servirá a la dirección del mismo como base de datos geométrica para futuras actuaciones arquitectónicas en el edificio.

Actualmente, el departamento de I+D de MV-BIM está desarrollando el modelo para que también sirva como base de datos para las tareas de mantenimiento y gestión de espacios del edificio.

 

Un saludo a todos