El papel de los sistemas primarios en el apoyo a los objetivos de energía cero de la semilla
El papel de los sistemas primarios en el apoyo a los objetivos de energía cero de la LEED
Lograr la certificación LEED Zero Energy representa el pináculo del rendimiento de la construcción sostenible. Este riguroso estándar requiere que los edificios produzcan tanta energía de fuentes renovables mientras consumen durante un período de 12 meses. Mientras que las estrategias de diseño, comportamiento ocupante y opciones materiales contribuyen, la columna vertebral de cualquier edificio de energía cero se encuentra en sus sistemas primarios. Estos son los componentes mecánicos, eléctricos y estructurales básicos que dictan cómo se utiliza la energía, gestiona y optimizan estos sistemas.
La certificación LEED Zero Energy, administrada por el Consejo de Construcción Verde de los Estados Unidos (USGBC), se basa en el sistema de clasificación LEED existente. Requiere un mínimo de dos años de datos de rendimiento energético continuo, demostrando el uso de energía de origen neto cero. Esto significa que los sistemas primarios no sólo deben ser eficientes individualmente, sino que también trabajan juntos sin problemas para minimizar las cargas y maximizar la generación renovable in situ.
Comprender los sistemas primarios en el diseño de edificios
Los sistemas primitivos] son los componentes principales que consumen energía y producen energía dentro de un edificio, difieren de los sistemas secundarios (como cargas de enchufe o ascensores) en que condicionan directamente el medio ambiente o generan energía renovable. Las cinco categorías principales incluyen:
- Comida, ventilación y aire acondicionado (HVAC)] – el mayor consumidor de energía en la mayoría de los edificios comerciales.
- Lighting] – típicamente la segunda carga más grande, pero muy influenciada por los controles y la luz del día.
- Sistemas de energía renovables] – generación in situ, la mayoría de las matrizs fotovoltaicas (PV).
- Construyendo Envelope] – el separador físico entre interior y exterior, incluyendo paredes, techos, ventanas y aislamiento.
- Almacenamiento y Gestión de Energía – baterías, almacenamiento térmico y controles inteligentes que equilibran la oferta y demanda.
Estos sistemas son interdependientes. Por ejemplo, un sobre de construcción de alto rendimiento reduce el tamaño y el trazo energético de los equipos HVAC, lo que a su vez reduce la capacidad necesaria del sistema de energía renovable. Asimismo, los controles de iluminación automatizados vinculados a sensores de ocupación pueden reducir las cargas de refrigeración reduciendo el aumento de calor interno. Por lo tanto, una comprensión holística de las interacciones del sistema primario es fundamental para el éxito de LEED Zero Energy.
Sistemas primarios claves que apoyan la energía cero LEED
Sistemas HVAC de alto rendimiento
Los sistemas HVAC representan el 40% al 60% del uso total de energía de construcción en edificios comerciales típicos. Para proyectos LEED Zero Energy, los diseñadores deben empujar mucho más allá del equipo de código mínimo.
- Bombas de calor geotérmico (GHPs): Estos sistemas utilizan la temperatura estable de la tierra para proporcionar calefacción y refrigeración con coeficientes de rendimiento extremadamente altos (COP de 4.0 a 36). Los GHP reducen el consumo de electricidad en un 30% a 60% en comparación con las bombas de calor convencionales de fuentes de aire.
- Sistemas de flujo de refrigeración vial: VRF permite calefacción y refrigeración simultáneas en diferentes zonas, recuperando calor de áreas que necesitan enfriamiento y redirigándolo a áreas que necesitan calefacción. Esto reduce significativamente la energía del compresor general.
- Ventiladores de recuperación de energía (ERVs): Los ERV capturan el calor y la humedad del aire de escape a la condición previa de entrar en el aire fresco, cortando la energía necesaria para condicionar el aire de ventilación.
- Dedicado Aire Aterrizado (DOAS): El aire de ventilación separado del circuito de climatización térmica permite que cada sistema funcione con máxima eficiencia. DOAS con ERV es un elemento básico de diseños de energía cero.
Las estrategias de control son igualmente importantes. La ventilación controlada por la demanda (DCV) ajusta la ingesta de aire al aire libre en función de los niveles de CO2 en tiempo real, mientras que los economizadores aportan refrigeración gratuita cuando las condiciones exteriores son favorables. Todos los componentes HVAC deben estar vinculados a un sistema central de automatización de edificios (BAS) para la optimización continua.
Sistemas de iluminación avanzados
Las cargas de iluminación han disminuido drásticamente con la adopción generalizada de LEDs. Sin embargo, lograr LEED Zero Energy requiere más que accesorios eficientes.
- Díaligero de captura: Los detectores se atenuan o apagan las luces eléctricas cuando se dispone de suficiente luz. Las oficinas de planta abierta pueden reducir la energía de iluminación en un 20% – un 60% con controles adecuados de luz.
- Sensores de ocupación y de vacantes: Estos sensores apagan las luces en espacios no ocupados. La integración con el BAS permite la programación y el control de nivel de zona.
- Lámina de agua/tabla: Proporcionar niveles de luz ambiente inferiores (por ejemplo, 30–40 cunas de pie) con iluminación de tareas ajustable en estaciones de trabajo reduce la depilación general al tiempo que mejora la satisfacción del ocupante.
- Luminarios de alta eficacia: Elegir los accesorios con eficacia por encima de 150 lúmenes por vatio es ahora factible. Los controles como el rebote continuo reducen aún más el uso de energía.
El iluminación también afecta a las cargas de refrigeración. Los LED producen menos calor que las fuentes incandescentes o fluorescentes, disminuyendo directamente la demanda de HVAC. En edificios de energía cero, el sistema de iluminación está diseñado como un sistema de baja potencia, altamente controlable que complementa la estrategia HVAC.
Sistemas de energía renovable
La generación renovable in situ es un requisito para la energía cero LEED. La opción más común es la matriz de techo o fotovoltaica solar montada en tierra (PV). Para satisfacer la métrica net-cero, el sistema renovable debe compensar el consumo total de energía de origen anual.
- Tamaño:] La capacidad de matriz PV debe calcularse sobre la base de datos históricos del tiempo, de modelos de energía de construcción y de pérdidas de eficiencia esperadas (compartir, aumentar la eficiencia, degradación). Un mínimo de 5-10 kW por 1.000 pies cuadrados es típico, pero cada proyecto requiere un análisis detallado.
- Orientación y inclinación: Los arrays de cara al sur en un ángulo de inclinación igual a la producción anual máxima de latitud. Las orientaciones este/oeste pueden proporcionar una mejor carga que se corresponda con los edificios con picos de la mañana y la noche.
- Integración con almacenamiento: El almacenamiento de batería permite que la generación de exceso durante el día se utilice por la noche, mejorando la relación de consumo propio del edificio. El almacenamiento térmico (por ejemplo, tanques de agua refrigerados) también puede cambiar cargas.
- Renovaciones alternativas: Las turbinas eólicas, la energía solar térmica para el agua caliente doméstica, o el intercambio geotérmico puede complementar o reemplazar el PV donde las condiciones del sitio son favorables.
El USGBC requiere que la energía renovable se genere en la huella de la construcción o en el sitio dentro del límite del proyecto. Las compras o compensaciones fuera de sitio no son elegibles para la certificación LEED Zero Energy. Esto hace que el tamaño y la integración de PV sea preciso con otros sistemas primarios críticos.
Construcción de la obra en desarrollo
El sobre de construcción es la primera línea de defensa contra el aumento de calor y la pérdida. Incluso el sistema HVAC más eficiente no puede superar un sobre fugaz y mal aislado. Para LEED Zero Energy, el sobre debe ser diseñado para minimizar el puente térmico y la infiltración de aire.
- Aislamiento continuo: La instalación de aislamiento en el exterior del marco estructural elimina puentes térmicos a través de estrías y jistas. R-valores de R-20 a R-40 para paredes y R-40 a R-60 para techos son comunes en diseños de energía cero.
- Windows de alto rendimiento: Ventanas trilladas, de bajo recubrimiento con argón o relleno de krypton logran valores U por debajo de 0.25 Btu/h·ft2·°F. Los dispositivos de afeitado (cárceras externas, sobrecogedores) controlan la ganancia de calor solar.
- Construcción: Las pruebas de puerta deslumbrante deben alcanzar tasas de filtración inferiores a 0,15 cfm/ft2 a 75 Pa. Es esencial sellar todas las penetraciones, articulaciones y transiciones.
- Techos de madera y techos verdes: El tejado reflectante reduce el efecto de la isla de calor y reduce las cargas de refrigeración. Los techos verdes proporcionan beneficios adicionales de aislamiento y manejo de aguas de tormenta.
Un sobre optimizado reduce la capacidad necesaria de HVAC, que a su vez reduce el tamaño y el costo del sistema de energía renovable. Este ciclo virtuoso es un sello distintivo del diseño de energía cero rentable.
Sistemas de almacenamiento y gestión de energía
Con sistemas primarios y generación in situ, la pieza final está gestionando el desfase temporal entre producción y consumo de energía. Baterías, almacenamiento térmico y controles inteligentes ayudan a lograr net-zero en una base horaria, diaria y estacional. Por ejemplo:
- Los sistemas de baterías de iones de litio almacenan exceso de energía solar para su uso durante los picos de la noche o días nublados.
- El almacenamiento de agua o hielo en los niños desplaza cargas de refrigeración a horas desactivadas, reduciendo las cargas de demanda y permitiendo que el enfriador funcione por la noche cuando las temperaturas ambiente son inferiores (aumentando la eficiencia).