¿Es justificable económicamente el estándar Passivhaus en edificios de laboratorio?

Figura 1: Sección transversal de una casa pasiva. (Fuente: Instituto Passivhaus de Alemania, www.passiv.de)

Figura 2: Comparación del consumo de energía primaria de casas pasivas y edificios de laboratorio

Tabla 1: Resumen

Ilustración del consumo de energía en el laboratorio (Fuente: Carpus+Partner AG, Jörg Stanzick)

Debido a que los edificios de laboratorio tienen una demanda energética especialmente alta, la eficiencia energética en la planificación de la construcción es un factor fundamental. Sin embargo, explicar por qué la simple aplicación del estándar Passivhaus en edificios de laboratorio, precisamente por su alto consumo de energía, no es efectiva, lo hace el Dr.-Ing. Tino Born, planificador principal en el área de Energía+Medio Ambiente en Carpus+Partner AG.

Al planificar edificios energéticamente eficientes, a menudo se exige la aplicación y implementación de criterios Passivhaus. Sin embargo, estos criterios y condiciones de frontera, aunque son bastante sensatos, no son transferibles de manera directa a todos los tipos de edificios y no pueden aplicarse de manera sensata especialmente en el caso de edificios de laboratorio. La especificidad de su uso dificulta en gran medida el cumplimiento de criterios orientados a la demanda y además implica altos costos. La implementación del estándar de aislamiento de las casas pasivas puede incluso resultar contraproducente. Una comparación de las características principales de las casas pasivas y los edificios de laboratorio muestra claramente que la realización del estándar Passivhaus no conduce necesariamente a una mayor eficiencia energética y que cumplir con los valores de consumo energético no es algo que se pueda lograr fácilmente en edificios de laboratorio. La viabilidad tiene límites claros.

Energía primaria, energía final y factores de energía primaria

Se denomina casas pasivas a edificios en los que, debido a un aislamiento térmico especialmente eficiente, se logra la comodidad térmica solo mediante el recalentamiento o el enfriamiento adicional del flujo de aire fresco (Fig. 1). Por ello, no es necesaria una utilización activa de una calefacción convencional. Para poder evaluar los edificios en relación con esta condición, se definió un estándar que traduce los requisitos de las casas pasivas en valores objetivos y límites concretos, y que también sirve como orientación en la planificación diaria. Este estándar se derivó de la construcción residencial y describe, por ejemplo, para edificios en clima templado, una demanda de calor de 15 kWh/m²a y una demanda máxima de energía primaria de 120 kWh/m²a.

Para aclarar: La energía primaria está vinculada a los recursos energéticos naturales o fuentes de energía. Para poder usarla, almacenarla o transportarla, debe convertirse en energía secundaria. Dado que la conversión — por ejemplo, en calor de calefacción — inevitablemente conlleva pérdidas de energía, la energía final disponible para el consumidor es menor que la energía primaria teórica, aunque a menudo no sea posible o recomendable su uso directo.

Para hacer comparables los diferentes tipos de energía primaria — con sus distintas propiedades en cuanto a seguridad del suministro y impacto climático — se asignaron a los recursos energéticos factores de energía primaria correspondientes. Con estos factores de ponderación, se multiplica la demanda real de energía para determinar la necesidad de energía primaria — establecida en un máximo de 120 kWh/m²a para casas pasivas —.

En comparación: si, como se mencionó, se asume una demanda de calor de 15 kWh/m²a, el uso de petróleo para calefacción o gas natural o líquido — todos con un factor de energía primaria de 1,1 — resulta en una demanda de energía primaria de 16,5 kWh/m²a. La madera tiene un factor de energía primaria de 0,2, por lo que la demanda de energía primaria al calentar con madera sería solo de 3 kWh/m²a. El uso de electricidad (factor de energía primaria 2,6) aumenta la demanda de energía primaria a 39 kWh/m²a. En el escenario más favorable, la demanda de calor se cubre mediante calefacción a distancia con un factor de energía primaria de 0,0. Entonces, los 120 kWh/m²a máximos de energía primaria disponibles se reservan completamente para el funcionamiento técnico del edificio.

Demanda mucho mayor que la necesaria

En contraste con los edificios residenciales, los edificios de laboratorio tienen altas cargas internas y requieren un alto intercambio de aire en operación. Los valores típicos son cargas internas totales de 80 W/m², distribuidos en dispositivos (55 W/m²), iluminación (15 W/m²) y personas (10 W/m²). Además, suele haber un intercambio de aire de aproximadamente 25 metros cúbicos por metro cuadrado por hora (m³/m²/h).

Para una potencia instalada de iluminación de 15 W/m², con 2.500 horas de operación al año, el consumo energético sería de 37,5 kWh/m²a. La demanda de energía primaria, considerando el factor de energía primaria mencionado de 2,6, sería de 97,5 kWh/m²a. Además, la ventilación mecánica requiere energía eléctrica. La demanda de electricidad para mantener el intercambio de aire puede ser de aproximadamente 25 W/m². Con 2.500 horas de uso al año, esto resulta en un consumo de 62,5 kWh/m²a y, por tanto, en una demanda de energía primaria de 163 kWh/m²a.

En total, solo para iluminación y transporte de aire, se deben considerar 260,5 kWh/m²a de energía primaria. Suponiendo además una demanda de 38,5 kWh/m²a de energía final eléctrica (equivalente a 100 kWh/m²a de energía primaria) para aplicaciones como suministro de dispositivos electrónicos o producción de frío, esto lleva a una demanda total de energía primaria de 360,5 kWh/m²a. Este valor ya es tres veces superior al máximo permitido según el estándar Passivhaus, incluso considerando que la demanda de calor puede cubrirse completamente con calefacción a distancia sin consumo adicional de energía primaria. Sin embargo, en la práctica, incluso en edificios Passivhaus, se asume una demanda de 20 kWh/m²a de energía primaria para cubrir la calefacción. Para una estimación más realista y una mejor comparabilidad, también se adopta este valor aquí. La demanda de energía primaria de nuestro edificio de laboratorio ficticio sería, por tanto, de 380,5 kWh/m²a (Fig. 2).

Se concluye que, debido a su uso, los edificios de laboratorio requieren una cantidad mínima de energía que está muy por encima de la de un Passivhaus. La demanda máxima permitida de energía primaria de 120 kWh/m²a solo cubre las necesidades de calefacción e iluminación; como laboratorio, el edificio sería inviable.

El aislamiento según estándar Passivhaus ofrece pocas ventajas

Asimismo, el impacto de la envolvente del edificio en la demanda de energía para calefacción y refrigeración en edificios de laboratorio difiere significativamente de los resultados obtenidos en edificios residenciales. Simulaciones térmicas en el marco de varios proyectos concretos han demostrado que la implementación del estándar de aislamiento Passivhaus en edificios de laboratorio puede ser, en algunos casos, energéticamente útil, pero en términos económicos no justificada.

Al mejorar la envolvente del edificio desde el estándar habitual EnEV 2009 hasta el nivel Passivhaus, se reduce la demanda total de energía de calefacción en aproximadamente un 25%, y las potencias de conexión necesarias disminuyen: en un 10% para los generadores de calor y en un 1% para los generadores de frío. Además, si se combina con una recuperación eficiente de calor (WRG), se ahorra incluso un 43% de la demanda total de energía de calefacción. La potencia de conexión necesaria para el generador de calor se reduce en un 28%, y la del generador de frío en un 2%.

Los costos adicionales necesarios para lograr estos ahorros, desde una perspectiva económica, reducen considerablemente la mejora en eficiencia energética: los costos adicionales por un envolvente según estándar Passivhaus sin WRG ya son de 40 euros por metro cuadrado, y con WRG alcanzan los 45 euros. El ahorro en costos operativos debido al menor consumo energético es solo de 35 o 64 céntimos por metro cuadrado y año. La amortización con WRG no se produce antes de 70 años, y sin ella, incluso después de 114 años. Son períodos que superan ampliamente la vida útil promedio de un edificio de laboratorio, que es de 25 años. Además, el consumo total de refrigeración aumenta en un 5% en cualquier caso (ver Tabla 1).

Una planificación específica es imprescindible

Un estándar Passivhaus real, que cumpla todos los criterios para edificios convencionales, no es factible para un edificio de laboratorio debido a su mayor demanda energética. Además, el esfuerzo adicional en planificación e inversión no puede justificarse desde un punto de vista económico, especialmente considerando el ciclo de vida típico de un edificio de laboratorio.

Para diseñar un edificio de laboratorio energéticamente eficiente, es necesario tener en cuenta las particularidades del uso y de la construcción, que no pueden reflejarse mediante criterios estandarizados. Aquí, aún es fundamental evaluar de forma específica todas las condiciones y posibilidades, y equilibrar eficiencia energética, rentabilidad, funcionalidad y confort.