Perspectivas de sostenibilidad y desarrollo de edificios de bajo consumo energético en asturias" / " sustainability and development perspectives of low energy buildings in asturias

Résumé

A nivel mundial, las emisiones netas de gases de efecto invernadero de las actividades humanas aumentaron un 35% entre 1990 y 2010. El incremento de las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero produce un efecto positivo de calentamiento o forzamiento del clima. Desde 1990 hasta 2015, el efecto de calentamiento total de los gases de efecto invernadero agregados por los humanos a la atmósfera de la Tierra aumentó un 37%. A medida que crecen las emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades humanas, estos gases se acumulan en la atmósfera y calientan el clima, lo que provoca muchos otros cambios en todo el mundo: en la atmósfera, en la tierra y en los océanos, como lo resume la EPA, la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos. Los edificios en la Unión Europea representan el 40% del consumo de energía final, el 36% de las emisiones de CO2, el 30% del consumo de materias primas, el 12% del consumo de agua potable y son productores del 30% de los residuos destinados a vertedero. La necesidad de reducir el consumo de energía de los edificios llevó en Europa a Directivas encaminadas a conseguir edificios de consumo de energía casi cero en 2020. Sin embargo, nuevas Directivas de enmienda sobre Eficiencia Energética acordaron actualizar el marco político para 2030 y más allá. Además, el Marco de Políticas de Energía y Clima para 2030 establece ambiciosos compromisos de la Unión para reducir aún más las emisiones de gases de efecto invernadero, al menos un 40% para 2030 con respecto a 1990, aumentando la proporción de energía renovable consumida. Las regulaciones establecen como objetivo a largo plazo lograr la neutralidad de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) para el 2050, lo que significa disponer de un sistema eléctrico 100% renovable para esa fecha. Para alcanzar este objetivo en España, las autoridades presentaron el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima, que incluye una serie de medidas que permitirán obtener los siguientes resultados en 2030: reducción del 23% de las emisiones de GEI respecto a 1990; 42% de participación de renovables en el uso final de la energía; mejora del 39,5% en la eficiencia energética; y 74% de participación de las energías renovables en la generación de electricidad. Teniendo en cuenta los cambios previsibles en el mix energético español destinados a contribuir a la descarbonización energética de Europa, así como los cambios climáticos actuales y futuros, se ha realizado un primer estudio para conocer el impacto que estos cambios tendrán en una vivienda unifamiliar que utiliza paneles de hormigón aligerado en la envolvente. Esta vivienda, diseñada con una envolvente de alto rendimiento energético, se ha situado en diferentes ubicaciones (Oviedo, Bilbao, Valladolid, Madrid, Zaragoza, Barcelona, Valencia y Sevilla) y climas de España. Para analizar los cambios medioambientales a medida que varía el mix energético, se realizó una evaluación del ciclo de vida utilizando el software SimaPro IMPACT 2002+. La previsión meteorológica en cada una de las ocho ciudades españolas elegidas para este estudio se obtuvo mediante la base de datos Meteonorm. Las demandas de calefacción disminuirán como consecuencia del aumento de temperatura. La demanda total (calefacción y refrigeración) generalmente disminuye en 2030 con respecto a 2018, en un porcentaje que depende de la ubicación. Las variaciones más significativas se dan en Oviedo, Bilbao y Valladolid, con un 21%, 16% y 15%, respectivamente, mientras que en el resto de localidades la disminución porcentual es inferior al 7%. Sin embargo, hay un ligero aumento del 3% en la demanda total de Barcelona, debido al aumento de la demanda de refrigeración. Como consecuencia del cambio climático y del Plan de Energía y Clima, las categorías de daños disminuirán (en mayor o menor medida, según la ubicación): Salud Humana, del 59% al 68%; Cambio climático, del 57% al 67%; y Recursos, del 54% al 65%. Asturias presenta una variedad de microclimas, ya que las montañas están cerca de la costa y hay fuertes variaciones de altitud. Se analiza el comportamiento térmico en el uso de la energía y la energía incorporada para diferentes espesores de aislamiento, para dos diseños de viviendas unifamiliares con diferentes factores de forma y para diferentes ubicaciones en el Principado de Asturias. Se obtienen los impactos sobre la energía primaria (incorporada y de uso) y sobre las emisiones de gases de efecto invernadero (incorporadas y de uso). En cuanto a los impactos debidos a la energía utilizada para cubrir la demanda térmica, se consideran tres escenarios de suministro: (i) solo electricidad; (ii) bomba de calor más electricidad; y (iii) caldera de gas natural. Finalmente, se analiza la influencia que sobre los impactos futuros producirá el mix eléctrico español planificado para el horizonte 2030, en caso de que se utilice únicamente electricidad. Los resultados demuestran que el escenario de solo electricidad puede ser muy adecuado frente a la caldera de gas. Sin embargo, los impactos del escenario solo eléctrico serán siempre mayores que los del escenario de la bomba de calor, ya que, si se mejora el mix eléctrico, la mejora también tendrá un efecto favorable sobre los impactos de la bomba de calor. Uno de los aspectos en los que la bomba de calor podría ser desventajosa en comparación con el escenario de solo electricidad, sería el daño a la capa de ozono, que es un impacto muy importante a considerar. Las Directivas de la UE alientan a los Estados Miembros a aumentar el número de edificios de alto rendimiento energético, estando previstas nuevas normas sobre edificios más ecológicos e inteligentes, para aumentar la calidad de vida de todos los europeos. Sin embargo, la mayoría de los edificios seguirán en uso durante los próximos 70 años. Por lo tanto, la mayor parte de las reducciones de energía deberán lograrse mediante una profunda remodelación de los edificios existentes. Esta tesis analiza el ciclo de vida completo de un edificio de oficinas catalogado como sujeto a protección cultural y discute las implicaciones ambientales del uso de diferentes materiales de construcción para modernizar la envolvente y de la adopción de sistemas de energía activa renovable en el propio edificio. El objetivo es lograr reducciones significativas en la demanda de energía acumulada (CED), el potencial de calentamiento global (GWP) y otros impactos medioambientales. El trabajo incluye un escenario con el mix eléctrico español de 2018 (que se toma como referencia) y dos escenarios basados en los mix eléctricos de 2020 y 2030, con el fin de tener en cuenta la política medioambiental a medio plazo en la que se enmarca el plan de descarbonización propuesto por el Gobierno de España. Los impactos en 2030 disminuirán con respecto a 2018 si se implementan paneles fotovoltaicos en combinación con una bomba de calor: hasta un 54%, en el caso de GWP, y un hasta un 61%, en el caso de CED. Finalmente, la tesis propone el uso extensivo de indicadores económicos para la evaluación medioambiental, como ayuda para la elección de los materiales más adecuados para la construcción del edificio y de los sistemas de suministro energético. Dicha evaluación cubre no solo los aspectos económicos de las posibles intervenciones para la mejora del rendimiento energético de un edificio, sino también los efectos medioambientales de dichas intervenciones, de modo que estos indicadores (rápidos y fáciles de calcular) se pueden utilizar como una herramienta útil para seleccionar la "mejor inversión". En concreto, los indicadores utilizados en el presente estudio son el período de amortización (PBP), el valor actual neto (NPV) y el retorno de la inversión (ROI). Worldwide, net emissions of greenhouse gases from human activities increased by 35% from 1990 to 2010. An increase in the atmospheric concentrations of greenhouse gases produces a positive climate forcing, or warming effect. From 1990 to 2015, the total warming effect from greenhouse gases added by humans to the Earth’s atmosphere increased by 37%. As greenhouse gas emissions from human activities increase, they build up in the atmosphere and warm the climate, leading to many other changes around the world—in the atmosphere, on land, and in the oceans, as is summarized by the EPA, Environmental Protection Agency of the United States. Buildings in the European Union represent 40% of final energy consumption, 36% of CO2 emissions, 30% of consumption of raw materials, 12% of consumption of drinking water and are producers of 30% of the waste destined for landfill. The need to reduce the energy consumption of buildings led in Europe to Directives to get nearly zero-energy buildings in 2020. However, new amending Directives on Energy Efficiency agreed to update the policy framework to 2030 and beyond. Besides, Energy and Climate Policy Framework for 2030 establishes ambitious Union commitments to reduce greenhouse gas emissions further by at least 40% by 2030 as compared with 1990, to increase the proportion of renewable energy consumed. Regulations establish a long-term goal of accomplishing neutrality of greenhouse gas (GHG) emissions by 2050, which means achieving a 100% renewable electricity system by that date. To reach this objective in Spain, the authorities presented the National Integrated Energy and Climate Plan, which includes a series of measures that will enable the following results to be achieved in 2030: 23% reduction in GHG emissions compared to 1990; 42% share of renewables in the final use of energy; 39.5% improvement in energy efficiency; and 74% share of renewable energy in electricity generation. Bearing in mind the foreseeable changes in the Spanish energy mix aimed at contributing to the energy decarbonisation of Europe, as well as present-day and future climate changes, a first study was carried out in order to know the impact that these changes will have on a single-family house that uses panels of lightweight concrete in the envelope. This house, designed with a high energy performance envelope, has been placed in different locations (Oviedo, Bilbao, Valladolid, Madrid, Zaragoza, Barcelona, Valencia and Seville) and climates in Spain. In order to analyse the environmental changes as power mix varies, life cycle assessment using SimaPro IMPACT 2002+ software was carried out. The weather forecast in each of the eight Spanish cities chosen for this study was obtained using the Meteonorm database. Heating demands will diminish as a consequence of the increase in temperature. The total demand (heating and cooling) generally decreases in 2030 with respect to 2018, by a percentage that depends on the location. The most significant variations occur in Oviedo, Bilbao and Valladolid, with 21%, 16% and 15%, respectively, while at the remaining locations the percentage decrease is less than 7%. However, there is a slight increase of 3% in the total demand for Barcelona, due to the increase in cooling demand. As a consequence of climate change and the Energy and Climate Plan, the categories of damage will decrease (to a greater or lesser extent, depending on the location): Human Health, from 59% to 68%; Climate Change, from 57% to 67%; and Resources, from 54% to 65%. Asturias presents a variety of microclimates, since the mountains are close to the coast and there are strong variations in altitude. Thermal behaviour in the use of energy and incorporated energy are analysed for different insulation thicknesses, for two designs of single-family houses with different form factors and for different locations in the Principality of Asturias. The impacts on primary energy (embodied and use) and on greenhouse gas emissions (embodied and use) are obtained. Regarding the impacts due to the energy used to cover the thermal demand, three supply scenarios are considered: (i) electricity only; (ii) heat pump plus electricity; and (iii) natural gas boiler. Finally, the influence on future impacts of the planned Spanish electricity mix in the 2030 horizon is analysed when using electricity only. The findings demonstrate that the electricity-only scenario can be very suitable versus the gas boiler. However, the impacts of the electricity-only scenario will always be greater than those of the heat pump scenario, since if the electricity mix is improved, the improvement will also have a favourable effect on the heat pump impacts. One of the aspects in which the heat pump could be disadvantageous compared to the electricity-only scenario, would be damage to the ozone layer, which is a very important impact to consider. EU Directives encourage Member States to increase the number of high energy performance buildings and new rules for greener and smarter buildings are foreseen to increase the quality of life for all European. However, the majority of the buildings will be still in use the next 70 years. Therefore, most of the energy reductions will have to be achieved by deep retrofitting of existing buildings. This thesis analyses the complete life cycle of a listed office building subject to cultural protection and discusses the environmental implications of using different building materials to retrofit the envelope and of adopting renewable active energy systems in the building itself. The aim is to achieve significant reductions in cumulative energy demand (CED), global warming potential (GWP) and other environmental impacts. The work includes a scenario with the Spanish electricity mix for 2018 (which is taken as a reference) and two scenarios based on the electricity mixes of 2020 and 2030, to take into account the medium-term environmental policy in which it is framed the decarbonisation plan proposed by the Spanish Government. The impacts will decrease up to 54% for GWP and 61% for CED in 2030 compared to 2018 if photovoltaic panels are implemented in combination with a heat pump. Finally, the thesis proposes the extensive use of economic indicators for environmental assessment, as an aid in choosing the most suitable materials for the construction of the building and energy supply systems. Such assessment covers not only the economic aspects of potential interventions for the improvement of the energy performance of a building, but also the environmental effects of such interventions, so that these indicators (quick and easy to calculate) can be utilized as a useful tool to select the "best investment". Specifically, the indicators used in the present study are the payback period (PBP), the net present value (NPV) and the return on investment (ROI).