Investigación aplicada en la Ingeniería

Edificación vs. cambio climático: reto y realidad

El diseño de edificios eficientes energéticamente es fundamental para la mitigación de sus efectos ambientales, pero, además, es necesario para adaptarlos al cambio climático. Dado que el uso de zonas climáticas es una de las herramientas utilizadas en el diseño de edificios eficientes energéticamente, y ante los cambios ambientales previstos, este estudio ha analizado la dinámica de dichos cambios en la zonificación climática de la España peninsular, así como sus efectos sobre la demanda energética. Los resultados han mostrado que, en la actualidad, los edificios ya están diseñados y construidos de acuerdo con una clasificación climática obsoleta que no tiene en cuenta la realidad climática actual ni futura. Además, aunque se observa una tendencia a una disminución en la demanda energética global, el incremento de temperaturas previsto implicará una mayor demanda energética para refrigeración y una disminución en el caso de la calefacción, aspectos que habrá que considerar en la construcción de nuevas viviendas, así como en la rehabilitación del parque edificatorio actual.

Palabras clave: Zona climática; cambio climático; edificación; demanda de energía

The design of energy efficient buildings is necessary for the mitigation of their environmental effects, but also to adapt them to climate change. Since the use of climate zones is one of the tools used in the design of energy efficient buildings, and in view of the expected environmental changes, this study has analyzed the dynamics of changes of peninsular Spain climate zoning, as well as its effects on energy demand. The results have shown that, at present, buildings are designed and built according to an obsolete climatic classification which does not take into account the current or future climatic reality. Furthermore, although there is a trend towards a decrease in the overall energy demand, the expected increase in temperatures will imply a higher energy demand for cooling and a decrease in the case of heating. All of the above highlights the need to adapt climate zones to the expected change.

Keywords: Climate zone; climate change; building; energy demand.

Montserrat Zamorano Toro

Catedrática de universidad.

Departamento de Ingeniería Civil. ETS de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos. Universidad de Granada.

©Alexander Abero

El calentamiento del sistema climático es indiscutible; de hecho, el Quinto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre el Clima Cambio (IPCC) recoge un incremento de la temperatura global de la superficie terrestre de 0,85 ºC entre los años 1880 y 2012, y 0,78 entre 2003 y 2012 [1]; además, las predicciones muestran un aumento de entre 1,4 y 5,8 ºC para el año 2100 [1]. En el ámbito de la edificación, este aumento de temperatura dará lugar a una demanda energética que podría triplicarse [2]; de hecho, diferentes estudios han puesto de manifiesto como, en regiones con un clima cálido, el consumo de energía de calefacción de edificios está disminuyendo, mientras que se incrementa el destinado a enfriamiento [3,4].

En este contexto, muchos países han desarrollado a lo largo de los últimos años regulaciones basadas en la clasificación de zonas climáticas, un método que permite diseñar edificios con menor consumo de energía y alto confort térmico. El significado de las zonas climáticas va unido, por tanto, al ámbito de la eficiencia energética en la vivienda, por lo que identificar correctamente la zona climática en la que se va a construir o rehabilitar un edificio es determinante a la hora de cuantificar las necesidades energéticas de la vivienda, así como la potencia de calefacción o de climatización y el diseño de su envolvente. El número de zonas climáticas, así como la metodología utilizada para su diseño, depende de cada país [5] y, en cualquier caso, se basan en las series climáticas existentes al momento de su formulación, por lo que no permiten el diseño de parques edificatorios capaces de adaptarse a las condiciones climáticas [6]. Este es el motivo que hace necesario tener conocimiento de la realidad climática que garantice el desarrollo de un parque de edificios que se adapte al cambio climático. Por ello, el principal objetivo de este trabajo ha sido analizar la dinámica de los cambios climáticos zonas y su efecto sobre la demanda energética de los edificios en el caso de España.

Materiales y métodos

Determinación de las zonas climáticas

En España, el Código Técnico de Edificación (CTE) y su Documento Básico de Ahorro Energético (DB-HE) [7] tiene por objeto establecer reglas y procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de ahorro de energía. Este documento define zona climática como aquella que, de acuerdo a sus características, define unas solicitaciones exteriores comunes a efectos de cálculo de la demanda energética. Para su determinación establece el concepto de índice de severidad climática (CSI), un número adimensional que es específico de cada localización geográfica y que permite diferenciar entre el índice de severidad climática para verano (SCV) e invierno (SCI). Su cálculo viene dado por las Expresiones 1 y 2, en las que GD es la suma de los grados-día de invierno y verano en base 20 para los meses que van desde junio a septiembre y octubre a mayo, respectivamente; n/N es el cociente entre número de horas de sol y el número de horas de sol máximas, sumadas cada una de ellas por separado para los meses que van desde junio a septiembre y octubre a mayo, respectivamente; y a, b, c, d, e son los coeficientes de regresión, cuyos valores se recogen en la Tabla 1.

Expresión 1 [7]

SCV = a x GD + b x GD² + c

Expresión 2 [7]

SCI = a x GD + b x n/N + c x GD² + d x (n/N)² + e

En función de los valores obtenidos, se diferencian cuatro zonas climáticas para verano, identificadas con un número (1, 2, 3 y 4), y seis de invierno (Tabla 2), identificadas con una letra (α, A, B, C, D y E), siendo 1 la correspondiente al verano menos cálido y α la del invierno más cálido. De acuerdo a todo ello, el DB‑HE del CTE recoge para la España peninsular 12 combinaciones posibles, resultando otras tantas zonas climáticas: A3, A4, B3, B4, C1, C2, C3, C4, D1, D2, D3 y E1 [7].

Tabla 1.
Tabla 2.

Horizonte temporal y escenarios del estudio

A la hora de definir este estudio se han tomado dos horizontes temporales, los años 2050 y 2085, además del generado a partir del análisis de los datos climáticos de los años 2015-2018, que se han considerado como una actualización de los que sirvieron de base para la elaboración del CTE. Por otro lado, y teniendo en cuenta que las trayectorias de concentración representativa (RCP) describen diferentes futuros climáticos que se consideran posibles dependiendo del volumen de gases de efecto invernadero (GEI) emitidos en los próximos años, de los escenarios recogidos en el Quinto Informe IPCC, que son función de los esfuerzos en mitigación que se realicen, se han considerado los escenarios RCP4.5 y RCP8.5, que se corresponden con un nivel de forzamiento de estabilización o muy alto de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), respectivamente.

Toma de datos climáticos

Para el desarrollo de este estudio se seleccionaron 77 estaciones meteorológicas (Figura 1), de entre las casi 800 estaciones meteorológicas ubicadas por la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET) en la España peninsular. Para su selección se tuvo en cuenta su proximidad a los núcleos urbanos, así como una distribución homogénea en función de la población.

Edificio tipo

Para el cálculo de las demandas energéticas se ha considerado un edificio típico existente de un bloque plurifamiliar utilizado en el trabajo de López-Ochoa et al. 2017 [8], con fachada principal orientada al norte, seis plantas de pisos (una planta baja y cinco pisos), una altura de planta de 3 m, una planta de 22 m2 y una superficie total construida de 484 m2. Las transmitancias térmicas del edificio son los valores límite establecidos en el CTE [7]. Las demandas energéticas de calefacción y refrigeración de calefacción y refrigeración se han evaluado con la herramienta oficial HULC [9].

Metodología

La metodología utilizada para lograr los objetivos de este trabajo, incluye las siguientes fases (Figura 2) [5]:

Identificación de las estaciones meteorológicas incluidas en este estudio [5]
Figura 1.
Metodología aplicada en esta investigación
Figura 2.
  • Fase 1. Determinación de los índices de severidad climática de invierno y verano, utilizando para ello las Expresiones 1 y 2.
  • Fase 2. Determinación de la dinámica de cambios en los índices de severidad climática. Basándose en los datos de proyección de la Plataforma de Adaptación al Cambio Climático (AdapteCCa) [10], así como en los datos actuales de medición de temperatura, para cada una de las 77 estaciones se determinaron los índices de severidad climática SCI y SCV para dos períodos futuros, 2055 y 2085.
  • Fase 3. Propuesta de zonas climáticas. Mediante una aproximación expresada como una combinación lineal finita de una determinada función de base radial y sus traslaciones, en la que la función interpolante ha dependido de las coordenadas de latitud, longitud y altitud, lo que permitió determinar la zonificación climática en 7967 localidades de la España peninsular, en todos los supuestos indicados.
  • Fase 4. Evaluación de la dinámica de cambios en el consumo energético. En esta fase se determinó el consumo energético para climatización de verano e invierno, así como el total anual, para el edificio tipo descrito y ubicado en cada una de las localizaciones de las 77 estaciones meteorológicas identificadas. Estos consumos se determinaron para las condiciones actuales, teniendo en cuenta para ello las condiciones climáticas calculadas a partir de los datos de los años 2015-2018, así como las previstas en los años 2050 y 2085, en este último caso para los escenarios RCP 4.5 y 8.5. La determinación de los consumos se hizo tomando como referencia geográfica la ciudad de Madrid a la que, según el CTE, le corresponden los valores WCS = 1,0 y SCS = 1,0 y una demanda energética de 42,74 kWh/m2 año para calefactar y de 14,09 kWh/m2 año en el caso de la refrigeración [8]».
©Michael

Resultados y discusión

Los resultados obtenidos se han analizado en términos de conocer la dinámica de cambios en la zonificación en comparación con las recogidas en el CTE, así como sus efectos sobre la demanda energética.

Dinámica de cambios en la zonificación climática en la España peninsular

La figura 3 muestra la distribución geográfica de las zonas climáticas CTE para el período de estudio 2015-2018, así como las previsiones de acuerdo a los escenarios RCP 4.5 y 8.5 en los años 2050 y 2085 en 7967 localidades.

El análisis de resultados obtenidos para el período de estudio 2015-2018 pone de manifiesto que más del 80% de las ciudades ya cambió su zona climática con respecto a la incluida en el CTE. Además, este cambio ha significado que el número de zonas climáticas en el país ha aumentado de las 12 contempladas en el CTE a 19, con la aparición de siete nuevas zonas (3, 4, B1, B2, D4, E1 y E2) que muestran la tendencia, en zonas como el Mediterráneo, hacia los climas más característicos de las zonas subtropicales. En el caso del invierno, aproximadamente la mitad de las ciudades han cambiado su zona climática invernal a una más cálida, en comparación con el CTE; en este sentido, los cambios observados son significativos en el sur y en la costa mediterránea, mientras que las zonas climáticas del norte, noroeste, suroeste y este de Andalucía permanecen sin cambios. Se destaca la zona climática invernal D, presente en el 49% de las localidades, lo que muestra un aumento de las temperaturas invernales en casi la mitad de los territorios respecto al CTE vigente. En las zonas climáticas de verano se observan cambios más drásticos, especialmente en la costa mediterránea; de hecho, el 72% de las ciudades han cambiado sus zonas climáticas de verano a otras más cálidas que las reportadas en el CTE.

Bajo el escenario RCP 4.5 para 2055 y 2085, el 98% de las ciudades verán modificada su zona climática, en comparación con la que se corresponde según el CTE, con una tendencia a zonas más cálidas, tanto en inverno como en verano. Así, por ejemplo, la mitad de las localidades costeras del Mediterráneo estará en la zona climática A4, caracterizadas por veranos más calurosos e inviernos más cálidos, mientras que las ciudades costeras del norte tendrán una mayor variedad de zonas a lo largo del siglo, con temperaturas suaves en verano e inviernos más fríos. Lo mismo ocurre en el interior de la península, donde se observa una distribución heterogénea debido a la complejidad del relieve y diversidad de zonas mesoclimáticas y microclimáticas. Como resultado, el número de localidades con clasificación climática C3 y B4 será importante, se produce un aumento de la calificación A y una caída de la calificación E, así como de las zonas 1 y 2, con una práctica desaparición de las zonas climáticas más frías.

Figura 3. De arriba a abajo, Zonas climáticas de acuerdo al CTE [5]. Escenario actual. Período 2015-2018. Escenario RCP 4.5 y año 2055. Escenario RCP 4.5 y año 2085. Escenario RCP 8.5 y año 2055. Escenario RCP 8.5 y año 2085.

Dinámica de cambios en la demanda energética en la edificación

En la figura 4 se resume la dinámica de cambios en la demanda energética promedio de calefacción, refrigeración, y total, calculada a partir de los índices de severidad climática calculados en las ubicaciones de las 77 estaciones, para el edificio típico descrito, utilizando para ello los datos climáticos actuales (período 2015-2018) y los previstos para los años horizonte y escenarios considerados. Se puede observar, en comparación con la demanda energética anual actual, una disminución de la misma, tanto en el caso del escenario RCP 4.5 y 85, como consecuencia de una reducción de la necesidad de calefacción y un incremento de la de refrigeración.

Figura 4.

A lo largo de este siglo prácticamente todas las ciudades cambiarán su zona climática a otras más cálidas

En el escenario RCP 4.5 se espera una disminución media anual de 11,2 y 10,4 kWh/m2 para los años 2005 y 2085, respectivamente. Debido al carácter estabilizador de este escenario climático, entre 2055 y 2085 no se observan diferencias significativas entre los valores medios de demanda de calefacción y refrigeración, con un incremento medio anual de solo 0,8 kWh/m2. La demanda energética total es consecuencia de unas necesidades de calefacción un 48,8% y 46,3% inferior para los citados años, y es debida a la notable suavización de los inviernos que se producirá en las zonas de clima continental, así como al incremento de las necesidades de refrigeración, un 26,9% y 27,5% mayores, consecuencia del incremento de temperaturas, especialmente en las ciudades situadas en el sureste, caracterizadas por un clima semiárido.

En el caso del escenario RCP 8.5, se observan tendencias similares, con una disminución de la demanda de energía total de 10,1 a 9,6 kWh/m2 para los años 2055 y 2085, respectivamente. En este caso, sí se observan diferencias en la demanda energética de calefacción y refrigeración en los años indicados. Así, se estima una reducción en las necesidades de calefacción del 46,9% y 72,9% para el 2055 y 2085, respectivamente, mientras que la demanda de refrigeración se verá incrementada en un 29,7% y 78,6%. Estos resultados se explican por la ampliación del clima semiárido en el sur y costa sureste bajo este escenario, en el que los veranos serán más calurosos y secos, aumentando significativamente la demanda energética de las viviendas para su refrigeración. Este aumento también se verá afectado por el efecto térmico adicional del calentamiento de las aguas superficiales del mar Mediterráneo.

Conclusiones

En este trabajo para la actualización de las zonas climáticas de todas las ciudades de la España peninsular se ha puesto de manifiesto que la asignación de zonas climáticas actualmente incluidas en el CTE no está ya adaptada a las condiciones climáticas reales actuales. Además, se espera que a lo largo de este siglo prácticamente todas las ciudades cambiarán su zona climática a otras más cálidas. Este importante cambio climático, que ya se está experimentando, traerá como consecuencia una reducción de la demanda de energía de calefacción de las viviendas, pero aumentará las de refrigeración, dando lugar a que se vean comprometidos los límites de parámetros como la transmitancia, si no se actúa sobre ellas.

Dada la importancia de precisar la asignación de una zona climática para dimensionar correctamente el diseño de los edificios, esta situación pone en peligro la consecución de edificios verdaderamente sostenibles. Por este motivo, es fundamental impulsar la revisión de las zonas climáticas para desarrollar recomendaciones y catálogos de diseño que permitan la adaptación de las viviendas al cambio climático, así como su mitigación.

Agradecimientos

El contenido de este trabajo forma parte de la publicación internacional Dynamics of Changes in Climate Zones and Building Energy Demand. A Case Study in Spain, escrito por Carmen Díaz-López, Joaquín Jódar, Konstantin Verichev, Miguel Luis Rodríguez, Manuel Carpio, Montserrat Zamorano en Applied Sciences (Special Issue Recent Advances in Energy Efficiency of Buildings. 2021, 11, 4261); además forma parte de la tesis doctoral con mención internacional Métodos de evaluación de la edificación sostenible: adaptación al cambio climático y estrategias de implantación presentada por la Dra. Carmen Díaz-López en la Universidad de Granada en el año 2021.

Referencias

1

IPCC. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change; Core Writing Team, Pachauri, R.K., Meyer, L.A., Eds.; IPCC: Geneva, Switzerland, 2014; 151p.

2

Houghton, J.T.; Ding, Y.D.J.G.; Griggs, D.J.; Noguer, M.; van der Linden, P.J.; Dai, X.; Johnson, C.A. Climate Change 2001: The Scientific Basis; The Press Syndicate of the University of Cambridge: Cambridge, UK, 2001; p. 881.

3

Chuwah, C.; Van Noije, T.; Van Vuuren, D.P.; Hazeleger, W.; Strunk, A.; Deetman, S.; Beltran, A.M.; Van Vliet, J. Implications of Alternative Assumptions Regarding Future Air Pollution Control in Scenarios Similar to the Representative Concentration Pathways. Atmos. Environ. 2013, 79, 787–801.

4

Verichev, K.; Zamorano, M.; Carpio, M. Effects of Climate Change on Variations in Climatic Zones and Heating Energy Consumption of Residential Buildings in the Southern Chile. Energy Build. 2020, 215, 109874.

5

Díaz-López, C.; Jódar, J.; Verichev, K.; Rodríguez, M.L.; Carpio, M.; Zamorano, M. Dynamics of Changes in Climate Zones and Building Energy Demand. A Case Study in Spain. Appl. Sci. 2021, 11, 4261.

6

Carpio, M.; Jódar, J.; Rodríguez, M.L.; Zamorano, M. A Proposed Method Based on Approximation and Interpolation for Determining Climatic Zones and Its Effect on Energy Demand and CO2 Emissions from Buildings. Energy Build. 2015, 87, 253–264.

7

Ministerio de Fomento. Documento Básico HE Ahorro de Energía 2019. Código Técnico de la Edificación 2019, 1–129.

8

López-Ochoa, L.M.; Las-Heras-Casas, J.; López-González, L.M.; García-Lozano, C. Environmental and Energy Impact of the Epbd in Residential Buildings in Cold Mediterranean Zones: The Case of Spain. Energy Build. 2017, 150, 567–582.

9

HULC Unified Tool LIDER-CALENER, Version 1.0.1493.1049 (Herramienta Unificada LIDER-CALENER, Versión 1.0.1493.1049). Disponible en línea: http://www.codigotecnico.org/index.php/menu-recursos/menu-aplicaciones/282-herramienta-unificadalider-calener.

10

National Platform for Adaptation to Climate Change. Disponible en línea: https://www.adaptecca.es/en