Estudio de potencial de ahorro energético en cubiertas

Arquitectura - Sostenibilidad - Economía Circular

CÀLCULO DE AHORRO ENERGÉTICO COMPARADO ENTRE REHABILITACIÓN IMPLANTANDO CUBIERTAS VERDES O CUBIERTAS BLANCAS EN UN POLÍGONO DE VIVIENDAS EN BLOQUE

Objetivos del proyecto:
Analizar el potencial que tienen las cubiertas del municipio en el ámbito del ahorro energético (que no producción energética).
Se hace una diagnosis del número y la medida de cubiertas donde se puede intervenir, tanto a los de viviendas de particulares como de equipaciones de los cuales el mantenimiento es responsabilidad del Ayuntamiento.
Se comparan los costes económicos de dos intervenciones diferentes a las cubiertas existentes (transformación a «cubierta verde» o a «cubierta blanca»), así como la comparación de ahorro energético generado, coste de mantenimiento y vida útil de las propuestas.
Una vez comparados los costes de inversión y su retorno, se analiza la bajada de emisiones de CO2*eq que suponen las diferentes intervenciones y se compara con las emisiones medias generadas por los automóviles del municipio (para tener una referencia clara).
A nivel metodológico y de recopilación de datos, se ha cogido como referente la publicación Economic comparison of white, green, and black flat roofs in the United States. Elaborado por:
A)Julian Sproula, Man Pun Wanb, Benjamin H. Mandela, Arthur H. RosenfeldaaLawrence Berkeley National Laboratory, One Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, United States.
B) School of Mechanical & Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singaporea
Publicado el 18 de Noviembre de 2013 .

DEFINICIÓN DE LOS TIPOS DE CUBIERTA COMPARADAS

A) Cubierta blanca:
Descripción:
Las poliolefines termoplásticas (TPO) son una clase de plástico que se utiliza en una variedad de mercados y aplicaciones (especialmente en el sector del transporte, incluidas las piezas plásticas tanto del interior como del exterior del automóvil). También son utilizadas para la fabricación de membranas de impermeabilización y aislamiento de techos y azoteas para cubiertas y aislamiento de cables eléctricos.

Las TPO son, en general, modeladas por inyección en el artículo deseado, aunque cada vez hay más uso de la lámina termo-formada y el perfil de extrusión y otros procesos.
Las TPO se producen generalmente por la mezcla de polipropileno (PP) con copolímeros elásticos de etileno (elastómeros de poliolefina o POE) y la adición otros materiales de carga y aditivos. Las cantidades de mezcla específicos dependen del equilibrio global de propiedades para cumplir con las especificaciones de rendimiento y equipos de procesamiento deseados que se utiliza para una aplicación.

Los ingredientes de los TPO generalmente incluyen:
• Polipropileno (incluyente homopolímero, copolímero de impacto u otros), que generalmente proporciona la rigidez y la estabilidad a la temperatura
• Elastómeros que dan flexibilidad y resistencia al impacto
• Talco u otras cargas minerales (ejemplo: fibra de vidrio o carbono) que imparten alta rigidez y estabilidad dimensional a la pieza
• Aditivos (incluyente antioxidantes, plastificantes y aditivos para la resistencia a la ignición, al rallat y al agua de mar) para mejorar el rendimiento de uso final y durabilidad.

Los TPO rígidos se hacen, en su mayoría, con un componente de polipropileno con ingredientes añadidos para conseguir un equilibrio global de propiedades. El desarrollo de la formulación de TPO rígido se inicia mediante la selección de un PP apropiado, y la adición de solo el nivel mínimo de modificador para conseguir ductilidad aceptable, mientras que se mantiene la rigidez (que se mesura por el módulo de flexión) lo más alta posible.

Un compuesto de TPO rígido típico se compone de:
• 56% de polipropileno, generalmente un copolímero de impacto (ICP) o un homopolímero (HPP)
• 24% de elastómero
• 20% de talco
• Estabilitzants y aditivos, según sea necesario para la durabilidad de la pieza

Un compuesto TPO blando típico se compone de:
• Una base de matriz polimérica de:
– 70% de elastómero de alta resistencia en estado fuera
– 30% polipropileno ramificado o convencional
• La adición estabilizadores y de relleno (relleno mineral / plastificante), según se desee para el coste y el rendimiento

Precio material aproximado: 15,1 E/m2. Precio de mercado. Marca: Danosa Building together. TARIFA 2017. VERSIÓN 3.07.

B) Cubierta verde:

Descripción:
Una cubierta verde es una superficie de cubierta que está preparada para acomodar vegetación y/o para el uso humano, ya sea como terraza, patio, zona de recreo o de huerto.
Además de proporcionar un espacio vital adicional, la cubierta verde tiene otras muchas ventajas ecológicas y económicas, como la prolongación de la vida útil de la cubierta, la reducción del ruido y la contaminación, la retención de agua, el ahorro energético o la mejora del clima y del paisaje urbano.

Intensiva:
La cubierta ajardinada o cubierta intensiva es la que utiliza como vegetación plantas más altas, vivaces arbustivas o árboles, y puede usarse también para actividades humanas (zonas transitables de peatones o vehículos). Son, en realidad, verdaderos parques o jardines situados sobre una cubierta, en la cual prácticamente todas las actividades son posibles siempre que se respete la carga máxima de la cubierta.
Además de estos dos sistemas de cubiertas, también son posibles cubiertas semi-extensivas.

Precio material aproximado: 114,37 E/m2. Cubierta plana ajardinada intensiva convencional, formación de pendientes con hormigón celular, aislamiento con planchas de poliestireno expandido, capa separadora con geotèxtil, impermeabilización y protección anti-raíces con membrana formada de dos láminas una LBM (APP)- 30- PE y la otra LBM (APP)- 40- FP, capa separadora, retenedora drenante y filtrando de poliestireno con dos geotèxtils y sustrato de tierra vegetal de 40 cm de grosor. Datos TCQ.

Imagen de www.revi.es

Extensiva:

La cubierta ecológica o cubierta extensiva es aquella la vegetación de la cual la constituyen plantas tapissants de muy bajo mantenimiento. Generalmente se instala como protección adicional de la cubierta y permite maximizar las ventajas ecológicas.

Precio material aproximado: 76,19 E/m2. Cubierta plana ajardinada extensiva convencional, formación de pendientes con hormigón celular, impermeabilización y protección anti-raíces con membrana formada de dos láminas una LBM (SBS)- 30- FV y la otra LBM (SBS)- 50/ G- FP, capa separadora con geotèxtil, capa retenedora y drenando con lámina nodular de polietileno de alta densidad, capa filtrante con geotèxtil y sustrato de tierra vegetal de 10 cm de grosor. Datos TCQ.

Imagen de www.revi.es

El peso de la cubierta varía en función del tipo de cubierta verde elegida.
Una cubierta ecológica extensiva tiene un peso de 120 kg/m² saturada de agua.
Las cubiertas con graba convencionales pesan aproximadamente entre 90 y 100 kg/m², por lo cual son fácilmente sustituibles por una cubierta ecológica.
Las cubiertas ajardinadas intensivas tienen un peso superior que varía dependiendo de la espesura del sistema elegido; pero un peso mínimo de aproximadamente 340 kg/m².
(Para establecer la capacidad de carga máxima de una cubierta es necesario el asesoramiento de un arquitecto).
Comparación de propiedades. Comprobación con precios TCQ, de mercado y del artículo de ScienceDirect Economic comparison of white, green, and black flat roofs in the United States

A questa mesa se explica el precio de las dos intervenciones (cuando hablamos de cubierta verde en este estudio siempre nos referimos a la intensiva) así como su precio de reparación (1/3 veces el precio de instalación), su reflexión solar y vida útil.
Tal como se puede ver, el hecho de tener un factor de reflexión solar mucho más alto hace que las cubiertas blancas generen un ahorro en COeq mucho más alto que el de las cubiertas verdes. Esto, sumado al hecho de que las cubiertas blancas son más económicas de instalar y tienen un mantenimiento mucho más bajo, hace que en nivel de amortización económica y bajada de emisiones sea una propuesta claramente mejor.
Aun así, can tener en cuenta que la vida útil de la cubierta verde es, como mínimo, el doble que la de la cubierta blanca. Tal como se explicará más adelante, este es un hecho muy importante puesto que hay cubiertas verdes instaladas hace ciento años que todavía se encuentran en buen estado, cosa que modifica significativamente su capacidad de amortización. Aparte, hay que tener en cuenta el potencial social y alimentario de las cubiertas verdes.

Tal como se puede ver, el hecho de que la reflectancia solar de las cubiertas blancas sea más doble y su coste mucho más bajo, hace que a pesar de tener una vida útil de la mitad de tiempo la amortización sea más rápida.

Font: Economic comparison of white, green, and black flat roofs in the United States. A)Julian Sproula, Man Pun Wanb, Benjamin H. Mandela, Arthur H. RosenfeldaaLawrence Berkeley National Laboratory, One Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, United States. B) School of Mechanical & Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singaporea. 18 de Noviembre de 2013 .

Una cubierta únicamente impermeabilizada puede conseguir en la superficie temperaturas de más de 80 °C; y una cubierta con graba puede llegar también a los 60 °C. En las cubiertas ajardinadas la temperatura no sobrepasa los 35 °C, puesto que las capas adicionales que puerta sobre la impermeabilización ayudar a moderar las diferencias extremas de temperatura y a reducir las fluctuaciones de los 90 °C a los 35 °C

Análisis de los 22 casos estudiados en Estados Unidos, comparando rendimiento de cubiertas verdes, blancas y negras

Font: Economic comparison of white, green, and black flat roofs in the United States. A)Julian Sproula, Man Pun Wanb, Benjamin H. Mandela, Arthur H. RosenfeldaaLawrence Berkeley National Laboratory, One Cyclotron Road, Berkeley, CA 94720, United States. B) School of Mechanical & Aerospace Engineering, Nanyang Technological University, Singaporea. 18 de Noviembre de 2013 .

Teniendo en cuenta que todo el estudio rehaciendo baza su ahorro en la bajada de demanda energética en verano, había que comprobar que las ciudades donde se habían tomado las muestras tuvieran unas condiciones climáticas similares en Badia del Vallès (que es donde se quiere aplicar el cálculo del estudio referente). Si se hubieran tomado las muestras en ciudades muy cálidas, con mucha radiación solar, el ahorro generado no sería comparable. Teniendo en cuenta que la mayoría de las ciudades donde se han sacado los datos son menos cálidos y tienen menos radiación solar, podemos concluir que pueden ser válidas para Badia y que el ahorro generado será igual o incluso superior.

Una vez comprobada la «situación climática» se separan los casos de ejemplo en dos grupos: obra nueva y rehabilitación. Se puede ver que las medias, tanto de coste de intervención como de ahorro económico, varían significativamente. Es por este motivo que para aplicar al caso de estudio (donde todo son intervenciones al medio construido) se usan los datos de coste y ahorro de los ejemplo de rehabilitación.

Si con estos datos genéricos basura el ejercicio de estudiar la capacidad de amortización de estas intervenciones a cubiertas llegaremos rápidamente a dos conclusiones:

1- A la cubierta verde:

Coste de instalación = 174,38 $/m2

Coste de mantenimiento de la cubierta verde = 2,9 $/m2/año

Ahorro en frío = 0,3 $/m2/año

Ahorro en calor = 0,28 $/m2/año

Solo el total del coste de mantenimiento ya es más alto que el ahorro total que genera en clima, de forma que es completamente imposible su amortización. Es más, implica un gasto de 2,32 $/m2/año

2- A la cubierta blanca

Coste de instalación = 20,92 $/m2

Coste de mantenimiento de la cubierta blanca = 0,2 $/m2/año

Ahorro en frío = 0,55 $/m2/año

El ahorro total generado es de 0,35 $/m2/año, de forma que teniendo en cuenta que el coste de instalación es de 20,92 $/m2, la amortización de la propuesta es de 60 años, mientras que la vida útil de esta solución es de 20 años. Hay que tener en cuenta que la vida útil puede alargarse debido al mantenimiento (del que ya se ha aplicado el coste).

Datos globales sobre los tres tipos de cubiertas y su capacidad de mejorar la eficiencia energética

Estudio de la amortización de los tres tipos de cubierta

Análisis de las tipologías de cubiertas de bloques de viviendas al municipio:

Tipología 1

Tipología 2

Tipología 3

Tipología 4

Tipología 5

Al municipio hay un total de 19 cubiertas de bloques Alcalà y 19 cubiertas de bloques H que son cubiertas a dos aguas formadas por placas de fibrocemento con amianto. Dichas placas se tienen que ir eliminando. Al eliminarlas hay la opción de sustituirlas por otros tipos de placas, de forma que seguiría siendo una cubierta a dos aguas (y no se podría hacer una cubierta verde) o viene eliminado las placas y subestructura actual y habilitar la cubierta (impermeabilización, aislamiento, etc) al último forjar actual.
Datos sobre costas económicos de instalación y mantenimiento comparados con ahorros generados:

Anàlisi de les possibilitats d’estalvi comparats amb la inversió necessària en instal·lació i manteniment

Amortización:

Tal como se puede ver, la amortización enfocada solo al ahorro económico que supone la bajada de demanda energética no es viable en esta estrategia. Hay que tener en cuenta la mejora de confort térmico y la bajada de emisiones de CO2*eq en el caso de las cubiertas blancas. Aparte, en el caso de las cubiertas verdes hay que tener en cuenta la mejora de calidad de la vivienda, la soberanía alimentaría, las ventajas de tener espacios comunitarios de uso compartido, etc.

En el caso de cubiertas veredas, a nivel de amortización ya se ve que no es posible, puesto que el coste de mantenimiento (2,9 S/m2/año) es más alto que el ahorro generado, que es de un total de 0,58 S/m2/año. Por otro banda, la cubierta blanca necesita 50 años para ser amortizada, cuando su vida útil es de 20 años. Hay que saber si el mantenimiento aplicado como coste fijo hace que la vida útil sea más larga.

El instituto Fraunhofer ha calculado la durabilidad de una cubierta verde en más de 40 años. Sin embargo, a Berlin existen cubiertas verdes instaladas desde hace más de 100 años (Handbuch der Architektur, Berlin, 1899). El sustrato y la vegetación de las cubiertas ajardinadas protegen la impermeabilización y alargan su tiempo de vigencia en condiciones óptimas.

Análisis del potencial a las cubiertas de las viviendas

En total el municipio dispone de 242 cubiertas de bloques de viviendas plurifamiliares que tienen una medida de 66.433,6 m2. El coste económico aproximado de que todas pasaran a ser cubiertas verdes seria de 11.584.691,17 Euros y el ahorro generado de 2.657,34 Tn CO2*eq / año que sería el equivalente a aproximadamente 1.771,56 coches (con la media española de 10.000Km/año y un consumo de 8L/100Km).

Por otro banda, pasarlo todo a cubiertas blancas costaría unos 1.461.539,2 Euros y el ahorro generado de 6.643,36 Tn CO2*eq / año que sería el equivalente a aproximadamente 4.428,91 coches (con la media española de 10.000Km/año y un consumo de 8L/100Km).

* todos los costes son sin contar retirada de amianto a las cubiertas que tienen

Análisis del potencial a las cubiertas de las equipaciones

En total el municipio dispone de 15 cubiertas de equipaciones municipales que tienen una medida de 21.507,30 m2. El coste económico aproximado de que todas pasaran a ser cubiertas verdes seria de 3.750.442,97 Euros y el ahorro generado de 860,29 Tn CO2*eq /año, que sería el equivalente a aproximadamente 573,53 coches (con la media española de 10.000Km/año y un consumo de 8L/100Km).

Por otro banda, pasarlo todo a cubiertas blancas costaría unos 473.160,6 Euros y el ahorro generado de 2.150,73 Tn CO2*eq / año que sería el equivalente a aproximadamente 1.433,82 coches (con la media española de 10.000Km/año y un consumo de 8L/100Km).

* todos los costes son sin contar retirada de amianto a las cubiertas que tienen

Ahorro total al municipio

Comparació entre el potencial d’estalvi de les cobertes dels equipaments i dels habitatges

Tal como se puede ver, el máximo potencial de ahorro energético en intervención a las cubiertas está en los edificios de viviendas, puesto que en total tienen una superficie mucho más grande. Aparte, hay que tener en cuenta que la mayoría de consumo energético al municipio es al ámbito doméstico.

Comparación entre el ahorro de las cubiertas blancas y las verdes

Coberta verda: 174,38 S/m2/CO2eq

Coberta blanc: 20,92 S/m2/CO2eq

Nivell d’eficiència de la inversió

Tal com es pot veure, per baixar 1 Tn CO2 eq amb una coberta verda calen 4.359,5 dollars, mentre que per baixar-la amb una coberta blanca només calen 220 dollars.

Conclusions

1) Ahorro en emisiones de CO2*eq

Tal como se puede ver, el ahorro anual en Tn CO2 eq/año es mucho más alto en los casos de cubiertas blancas (hay que tener en cuenta que el ahorro en cubierta blanca es de 10Tn por cada 100m2/año, mientras que a la cubierta verde hay un ahorro de 4Tn por cada 100m2/año).
Al municipio hay un total de 87.940,9 m2 de cubiertas.
En caso de pasarlas todas a cubiertas blancas (equipaciones responsabilidad del Ayuntamiento y viviendas) el ahorro generado seria de 8.794,09 Tn CO2*eq, que equivale a las emisiones medias de 5.863 coches, un 98% de los coches de todo el municipio.
En caso de pasarlas a cubiertas verdes (equipaciones responsabilidad del Ayuntamiento y viviendas) el ahorro generado seria de 3.517,64 Tn CO2*eq, que equivale a las emisiones medias de 2.345,09 coches, un 39,2% de los coches de todo el municipio.
Hay que tener en cuenta que a pesar de que baje la demanda energética por clima si no hay unos hábitos de consumo responsable, las intervenciones podan no tener el resultado esperado.

Consum energètic domèstic total:

Consum energètic domèstic per habitatge:

5251 habitatges

Electricitat: 14.500.199 Kwh/any

Electricitat: 2.706 Kwh/any

Mitjana de consum per habitatge: 6.397 Kwh/any

Gas: 19.777.562Kwh/any

Gas: 3.691 Kwh/any

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Hay que tener en cuenta que el enfriamiento de la vivienda en bloque en clima Mediterráneo es una máximo del 1,1% del consumo total según el IDAE. Así pues, vemos que estamos trabajando en la reducción de una demanda que es muy baja en comparación al total. Este hecho hace que los datos de ahorro referenciadas se tengan que posar en entredicho por el momento.
2) Calidad del aire Vs bajada de emisiones

Hay que tener en cuenta que la cubierta blanca implica una bajada de emisiones de CO2*eq mucho más importante, pero que la cubierta verde supone una mejora de calidad del aire a escala local. Así pues, de forma muy resumida, las cubiertas blancas irían mejor para la bajada global de emisiones y poder contribuir así a la lucha contra el cambio climático. Por otro banda, las cubiertas verdes mejoran la calidad del aire del municipio.

3) Más allá de las emisiones

Las cubiertas verdes tienen valor añadidos como el hecho de ser un espacio socio-productivo situado en una zona comunitaria de cada bloque que también suponen una mejora en el tratamiento de agua, la inercia térmica de la cubierta y una mejora estética, tanto a escala de bloque como de espacio urbano.

4) Renunciar a cubierta transitable

Al ser prácticamente todas las cubiertas planas y con una gran capacidad de carga estructural sería lógico pensar al hacer las cubiertas habitables. Al intervenir con compuesto de TPO, la opción de cubierta transitable queda imposibilitada. Este es un hecho a tener en cuenta, puesto que a pesar de generar una mejora energética supone renunciar a una parte del potencial del bloque.

5) Facilidad de construcción / Posible plan de ocupación y docente

A nivel de construcción, hay que tener en cuenta que instalar un compuesto de TPO es mucho más sencillo y rápido que hacer la instalación de la cubierta verde. Así pues, es más fácil relacionarlo con prácticas del mi docente y vincularlo a planes locales de ocupación.

6) Aplicación global

Teniendo en cuenta que las cubiertas suman 87.940m2 a todo el municipio, queda claro que hay espacio suficiente para hacer cubiertas blancas, cubiertas verdes y cubiertas transitables, cada una con sus potenciales. Así pues, el reto no es decidir qué tipo de cubierta es «la mejor» por municipio a nivel genérico sino que el que es importante es saber en qué proporción se tienen que construir cada tipo de cubierta y donde se tienen que ubicar.

13- Ejemplos y referentes
Proyecto Barrios Sostenibles
http://barriossostenibles.org/que-es-barrios-sostenibles/

Se define el Programa “Barrios Sostenibles” como la implementación de una metodología de intervención social sistémica, integral y participativa, que tiene por objeto mejorar la calidad de vida de las personas y familias que viven en el distrito Usera de Madrid.
Barrios Sostenibles tiene la misión de formar a jóvenes en situación de vulnerabilidad en profesiones de futuro relacionadas con la eficiencia energética y el medio ambiente; ayudar a fortalecer la activación de la ciudadanía y el tejido social a la vez que generar cambios en las ideas, actitudes y comportamientos de la comunidad en su relación con el territorio; y producir cambios de cara a generar un modelo de trabajo más horizontal, eficiente y con un mayor impacto sobre el territorio.
Las actuaciones giran en torno a la mejora de la eficiencia energética en viviendas, centros educativos, así como a la reducción de la contaminación por medio del diseño e instalación de cubiertas vegetales, la transformación de las percepciones y usos del Parque Pradolongo, entre otras.
Todas las actividades se orientan hacia la consecución de un distrito socialmente más equilibrado, medioambientalmente sostenible y tecnológicamente más innovador.

Azoteas vivas y cubiertas verdes
http://ayuntamiento.barcelona.cat/*ecologiaurbana/can/que-basura-y-por-que/ciudad-verde-y-biodiversidad/azoteas-vivas-y-cubiertas-verdes

El Ayuntamiento impulsa actuaciones para activar azoteas, cubiertas y patios de luces en edificios existentes y de nueva planta y sacar el máximo rendimiento social, ambiental y energético, transformándolas en azoteas vivas y en cubiertas verdes.
A Barcelona, ciudad densa y de clima mediterráneo, es oportuno considerar las cubiertas, azoteas y patios de luces como un recurso actualmente no explotado, a pesar de que la cota más alta de los edificios es utilizable buena parte del año. El uso y la rehabilitación de las cubiertas, azoteas y patios de luces aportan numerosos beneficios. Socialmente posan en valor l´uso de azoteas por los vecinos y vecinas. Ambientalmente incrementan el verde y la biodiversidad, facilitan una reducción de la demanda energética, y promueven sistemas de producción energética y de aprovechamiento de los recursos naturales, contribuyendo a la adaptación de los edificios y de las ciudades al cambio climático, y por tanto, aumentando la resiliencia de una ciudad.
En este sentido, el Ayuntamiento impulsa varias actuaciones para promover la mejora ambiental y social de las cubiertas verdes: facilitar ayudas económicas para la rehabilitación y la re-naturalización de la cubierta, ofrecer al ciudadano documentación y apoyo técnico, promover la revisión de las normativas actuales, promover medidas de financiación directa o indirecto, edición de material didáctico sobre cubiertas y azoteas, y habilitación de un mapa interactivo online con geolocalización de las cubiertas existentes, entre otros medidas.
Concurso de cubiertas verdes
http://ajuntament.barcelona.cat/paisatgeurba/ca/noticia/concurs-de-cobertes-verdes

El Ayuntamiento pone en marcha el concurso de cubiertas verdes, para conseguir 10 nuevas azoteas verdes y difundir los beneficios de estos tanto por la ciudad, como por los edificios donde se sitúen.
Las cubiertas verdes son unos de los elementos claves para conseguir una ciudad más verde y sostenible, tal y como se establece en las medidas de gobierno como Pla del Verd y la Biodiversidad de Barcelona 2020 y el Programa de Impulso a la Infraestructura Verde Urbana.
Se otorgarán subvenciones para la ejecución de 10 cubiertas verdes a la ciudad, prioritariamente en edificios de vivienda, pero también otras edificios con un fuerte impacto paisajístico o que puedan generar una mejora de carácter colectivo y social.