La casa pasiva ( en alemán : Passivhaus ) es un estándar voluntario de eficiencia energética en un edificio que reduce la huella de carbono del edificio . [1] El cumplimiento de estos estándares da como resultado edificios de energía ultrabaja que requieren menos energía para calefacción o refrigeración de espacios. [2] [3] [4] [5] [6] En Suiza se utiliza un estándar similar, MINERGIE-P . [7] Existen estándares para propiedades residenciales, y también se han construido varios edificios de oficinas , escuelas , jardines de infancia y un supermercado según el estándar. La eficiencia energética no es un complemento o suplemento del diseño arquitectónico, sino un proceso de diseño que se integra con el diseño arquitectónico. [8] Aunque generalmente se aplica a edificios nuevos, también se ha utilizado para reformas.
En 2008, las estimaciones sobre el número de edificios de casas pasivas en todo el mundo oscilaban entre 15 000 y 20 000 estructuras. [9] [10] En 2016, había aproximadamente 60 000 estructuras certificadas de todo tipo en todo el mundo. [11] La gran mayoría de las estructuras de casas pasivas se han construido en países de habla alemana y en Escandinavia . [9]
El término casa pasiva ha tenido al menos dos significados en la literatura. Su significado anterior, utilizado desde la década de 1970, era para un edificio de bajo consumo de energía diseñado para explotar tecnologías solares pasivas y establecer una temperatura interior confortable con un bajo requerimiento de energía para calefacción o refrigeración. Más recientemente, el término se ha utilizado para indicar un edificio que está certificado para cumplir con los criterios de la norma de casa pasiva, incluidas las demandas de calefacción, refrigeración y energía primaria, además de la hermeticidad, los requisitos de confort térmico y las demandas de energía no relacionadas con la calefacción. [12]
El estándar de casa pasiva se originó a partir de una conversación en mayo de 1988 entre Bo Adamson de la Universidad de Lund , en Suecia , y Wolfgang Feist del Institut für Wohnen und Umwelt (Instituto de Vivienda y Medio Ambiente), en Darmstadt , Alemania . [13] Su concepto se desarrolló a través de una serie de proyectos de investigación con asistencia financiera del estado alemán de Hesse . [14]
Muchas de las primeras construcciones de casas pasivas se basaron en la investigación y la experiencia de los constructores norteamericanos durante la década de 1970, quienes, en respuesta al embargo de petróleo de la OPEP , buscaron construir casas que consumieran poca o ninguna energía. [15] Estos diseños a menudo utilizaban ventanas expansivas que aprovechaban la energía solar como fuente de calor. Sin embargo, el superaislamiento se convirtió en una característica clave de tales esfuerzos, como se vio en la Casa de Conservación de Saskatchewan en Regina , Saskatchewan , (1977) y la Casa Leger en Pepperell, Massachusetts (1977). [16] La Casa de Conservación de Saskatchewan fue un proyecto del Consejo de Investigación de Saskatchewan (SRC) con Harold Orr como su ingeniero principal. [17] El equipo desarrolló de forma independiente un intercambiador de aire de recuperación de calor, recuperación de agua caliente y un aparato de puerta sopladora para medir la hermeticidad del edificio. [18] Cabe destacar que la casa fue diseñada para el clima extremo de -40 °C a +40 °C de las praderas canadienses . Las casas SRC y Leger fueron precedidas por la casa Lyngby, Dinamarca (1975), desarrollada por la Universidad Técnica de Dinamarca , y varias casas fueron construidas entre 1977 y 1979 basadas en el diseño de la casa Lo-Cal (1976) desarrollado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . [19]
El término pasivo se puede atribuir en parte a William Shurcliff , un físico estadounidense que contribuyó al Proyecto Manhattan de la Segunda Guerra Mundial y en la década de 1970 se convirtió en un defensor del diseño de viviendas energéticamente eficientes:
¿Qué nombre se le debería dar a este nuevo sistema? ¿Pasivo superaislado? ¿Pasivo superahorro? ¿Pasivo mininecesidad? ¿Pasivo microcarga? Me inclino por "pasivo microcarga". Sea como sea, tiene (preveo) un gran futuro.
—William Shurcliff, [20]
Uno de los primeros libros que explicaba los conceptos de la construcción de casas pasivas fue The Passive Solar Energy Book de Edward Mazria en 1979. [21]
El estudio de arquitectura Bott, Ridder y Westermeyer diseñó la construcción de cuatro casas adosadas para cuatro clientes privados . Las primeras viviendas pasivas se construyeron en Darmstadt en 1990 y se ocuparon al año siguiente.
En septiembre de 1996 se fundó en Darmstadt el Passivhaus-Institut, cuyo objetivo es promover y controlar las normas de las casas pasivas. En 2010 se estima que se habían construido más de 25.000 estructuras de casas pasivas. [1] [9] [22] La mayoría se encuentran en Alemania y Austria , y otras en varios países del mundo.
En 1996, después de que el concepto se hubiera validado en el Instituto de Darmstadt, con una calefacción de espacios un 90% inferior a la requerida para un edificio nuevo estándar en ese momento, se creó el grupo de trabajo de casas pasivas económicas. Este grupo desarrolló el paquete de planificación e inició la producción de los componentes innovadores que se habían utilizado, en particular las ventanas y los sistemas de ventilación de alta eficiencia. Mientras tanto, se construyeron más casas pasivas en Stuttgart (1993), Naumburg, Hesse , Wiesbaden y Colonia (1997). [23]
Los productos que se habían desarrollado de acuerdo con el estándar de la casa pasiva se comercializaron durante y después del proyecto CEPHEUS patrocinado por la Unión Europea , que probó el concepto en cinco países europeos en el invierno de 2000-2001. La primera casa certificada se construyó en 2006 cerca de Bemidji, Minnesota , en Camp Waldsee de los pueblos de lengua alemana Concordia . [24] El primer proyecto de modernización pasiva de EE. UU., la casa artesanal remodelada O'Neill en Sonoma, California , [25] fue certificada en julio de 2010.
En los Estados Unidos, el diseño de casas pasivas fue implementado por primera vez por Katrin Klingenberg en 2003 cuando construyó un prototipo de casa pasiva llamado "The Smith House" en Urbana, Illinois . [26] Más tarde, ella y el constructor Mike Kernagis cofundaron el Laboratorio de Construcción Ecológica en 2004 para explorar más a fondo la viabilidad del diseño pasivo asequible. [27] Finalmente, condujo a la creación del Passive House Institute United States (PHIUS) en 2007. [28] Posteriormente, el PHIUS lanzó su Estándar de construcción PHIUS + 2015 y ha certificado más de 1200 proyectos y 1,1 millones de pies cuadrados (100 000 m 2 ) en todo Estados Unidos. [28] En 2019, Park Avenue Green, un edificio de viviendas de bajos ingresos en Nueva York, se construyó con estándares de casas pasivas. El edificio luego se convirtió en la casa pasiva certificada más grande de América del Norte. [29]
La primera casa pasiva de Irlanda [30] fue construida en 2005 por Tomas O'Leary, diseñador y profesor de "casas pasivas". La casa se llamó "Out of the Blue". Una vez terminada, Tomas se mudó al edificio. [31]
La primera casa prefabricada pasiva estandarizada del mundo fue construida en Irlanda en 2005 por Scandinavian Homes [32] [33] , una empresa sueca que desde entonces ha construido más casas pasivas en Inglaterra y Polonia . [34]
La primera casa pasiva certificada en Amberes , Bélgica , se construyó en 2010. [35] En 2011, Heidelberg , Alemania, inició el proyecto Bahnstadt, que fue visto como el área de construcción de casas pasivas más grande del mundo. [36] Una empresa en Qatar planeó la primera Casa Pasiva del país en 2013, [37] la primera en la región.
La casa pasiva más alta del mundo se construyó en el barrio de Bolueta en Bilbao , España . Con 88 m (289 pies), actualmente es el edificio más alto del mundo certificado según la norma en 2018. El desarrollo de 171 unidades (incluido un edificio complementario de nueve pisos) de 14,5 millones de dólares consiste completamente en viviendas sociales.
En 2019, Gaobeidian , China, fue sede de la 23.ª Conferencia Internacional de Casas Pasivas y, posteriormente, construyó el complejo de apartamentos Gaobeidian Railway City, que se considera "el proyecto de casa pasiva más grande del mundo". [38] China ha asumido un papel de liderazgo en la construcción de casas pasivas, con 73 empresas diferentes "que fabrican ventanas según los estándares de las 'casas pasivas'". [38]
El primer centro de salud pasivo del Reino Unido, en Foleshill, se inauguró en noviembre de 2021. [39]
Si bien algunas técnicas y tecnologías se desarrollaron específicamente para el estándar de casa pasiva, otras, como el superaislamiento , ya existían, y el concepto de diseño de edificios solares pasivos se remonta a la antigüedad. Hubo otros edificios anteriores con estándares de construcción de bajo consumo de energía , en particular el estándar alemán Niedrigenergiehaus (casa de bajo consumo de energía), además de edificios construidos según los exigentes códigos de energía de Suecia y Dinamarca .
La norma de casa pasiva exige que el edificio cumpla los siguientes requisitos: [40] [41] [42]
Se recomienda, pero no se exige, que la carga térmica específica de la fuente de calefacción a la temperatura de diseño sea inferior a 10 W /m2 ( 3,17 btu /(h⋅ft2 ) ).
Estos estándares son mucho más altos que los de las casas construidas según la mayoría de los códigos de construcción habituales. Para realizar comparaciones, consulte la sección de comparaciones internacionales a continuación.
Se cree que los socios nacionales dentro del «consorcio para la promoción de casas pasivas europeas» tienen cierta flexibilidad para adaptar estos límites a nivel local. [43]
En Estados Unidos existen dos versiones de casa pasiva promovidas por dos entidades distintas: el Passive House Institute (PHI) y el Passive House Institute US (PHIUS). [44]
En un principio, PHIUS era una entidad afiliada y certificadora autorizada del Passive House Institute. En 2011, PHI canceló su contrato con PHIUS por mala conducta. [45] PHIUS impugnó las afirmaciones de PHI y siguió trabajando para lanzar un programa independiente de rendimiento de edificios.
En 2015, PHIUS lanzó su propio estándar PHIUS+, que se centra principalmente en reducir los efectos negativos de las operaciones de construcción para cualquier tipo de edificio. Este estándar también utiliza conjuntos de datos climáticos para determinar criterios específicos de desempeño de los edificios para diferentes regiones. Dicha información se determina utilizando métricas que representan un espacio donde la reducción significativa de carbono y energía se superpone con la rentabilidad. [46] En general, la base de datos PHIUS incluye más de 1000 conjuntos de datos climáticos para América del Norte. [46]
La norma se basa en cinco principios: hermeticidad , ventilación , impermeabilización , calefacción y refrigeración, y cargas eléctricas. [47] Dentro de estos principios, los proyectos deben pasar las pruebas de puerta sopladora especificadas por el edificio, flujo de aire de ventilación, flujo de aire general y carga eléctrica ; los edificios también deben lograr otras medidas como materiales de baja emisión, sistemas de energía renovable, control de humedad, ventilación exterior, ventilación energéticamente eficiente y equipos de acondicionamiento de espacios. [47] Todos los edificios también deben pasar una prueba de control y garantía de calidad ; esto se implementa para garantizar que el edificio continúa adhiriéndose a los criterios regionales establecidos por los datos climáticos de PHIUS. [47] Estas pruebas y análisis de las condiciones operativas son realizadas por evaluadores o verificadores de PHIUS. Estos son profesionales acreditados de PHIUS que pueden realizar pruebas e inspecciones en el sitio para garantizar que el edificio recién construido se adhiera a los planes de construcción, los modelos de energía creados y las condiciones operativas deseadas. [48]
Los dos estándares (casa pasiva y PHIUS+) son distintos y apuntan a diferentes métricas de rendimiento y utilizan diferentes protocolos y software de modelado energético.
En los edificios de casas pasivas, el ahorro de costes que supone sustituir el sistema de calefacción convencional se puede utilizar para financiar la mejora de la envolvente del edificio y del sistema de ventilación con recuperación de calor. Gracias a un diseño cuidadoso y a una creciente competencia en el suministro de productos de construcción de casas pasivas diseñados específicamente, en Alemania es posible construir edificios por el mismo coste que los construidos según los estándares de construcción alemanes normales , como se hizo con los apartamentos de casas pasivas en Vauban, Friburgo . [49] En promedio, se informa de que las casas pasivas son más caras de entrada que los edificios convencionales: entre un 5% y un 8% en Alemania, [50] [51] entre un 8% y un 10% en el Reino Unido [52] y entre un 5% y un 10% en los EE.UU. [53] [54] [55] [56]
Las evaluaciones han indicado que, si bien es técnicamente posible, los costos de cumplir con el estándar de casa pasiva aumentan significativamente cuando se construye en el norte de Europa por encima de los 60° de latitud . [57] [58] Las ciudades europeas a aproximadamente 60° incluyen Helsinki , Finlandia, y Bergen , Noruega. Londres está a 51°; Moscú está a 55°.
Para lograr la importante reducción del consumo de energía para calefacción que exige la norma es necesario cambiar el enfoque del diseño y la construcción de edificios. El diseño puede verse facilitado por el uso del Paquete de Planificación Passivhaus (PHPP), [59] que utiliza simulaciones informáticas diseñadas específicamente .
A continuación se presentan las técnicas utilizadas para lograr el estándar. [2]
El diseño de edificios solares pasivos y el paisajismo energéticamente eficiente respaldan la conservación de energía de las casas pasivas y pueden integrarlas en un vecindario y un entorno. Siguiendo las técnicas de construcción solar pasiva , siempre que sea posible, los edificios tienen una forma compacta para reducir su área de superficie; las ventanas principales están orientadas hacia el ecuador para maximizar la ganancia solar pasiva . Sin embargo, el uso de la ganancia solar, especialmente en regiones de clima templado , es secundario a la minimización de los requisitos generales de energía de la casa. En climas y regiones que necesitan reducir la ganancia excesiva de calor solar pasivo en verano, ya sea de fuentes directas o reflejadas, se implementan brise soleil , árboles , pérgolas adjuntas con enredaderas , jardines verticales , techos verdes y otras técnicas.
El color de las paredes exteriores, cuando la superficie permite elegir entre cualidades de reflexión o absorción de la insolación , depende de la temperatura ambiente predominante en el exterior durante todo el año. El uso de árboles de hoja caduca y enredaderas enrejadas o autoadherentes puede resultar de ayuda en climas en los que no se dan temperaturas extremas.
Los edificios de casas pasivas emplean superaislamiento para reducir significativamente la transferencia de calor a través de las paredes, el techo y el piso en comparación con los edificios convencionales. [60] Se puede utilizar una amplia gama de materiales de aislamiento térmico para proporcionar los altos valores R requeridos ( valores U bajos , típicamente en el rango de 0,10 a 0,15 W/(m 2 ·K)). Se presta especial atención a la eliminación de puentes térmicos .
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Para cumplir con los requisitos de la norma de casas pasivas, las ventanas se fabrican con valores R excepcionalmente altos (valores U bajos, típicamente de 0,85 a 0,45 W/(m 2 ·K) para toda la ventana, incluido el marco). Las ventanas normalmente combinan vidrios aislantes de triple o cuádruple panel (con un coeficiente de ganancia de calor solar adecuado, [2] [60] recubrimientos de baja emisividad , espacios entre paneles sellados con gas argón o criptón y espaciadores de vidrio aislante de "borde cálido") con sellos de aire y marcos de ventana con rotura de puente térmico especialmente desarrollados.
Las envolventes de los edificios que cumplen con los estándares de casas pasivas deben ser extremadamente herméticas en comparación con las construcciones convencionales. Deben cumplir con 0,60 ACH50 (cambios de aire por hora a 50 pascales) en función del volumen del edificio. Para lograr estas métricas, la mejor práctica es probar el cerramiento de barrera de aire del edificio con una puerta soplante a mitad de la construcción, si es posible. [2] [61]
Una casa pasiva está diseñada de manera que la mayor parte del intercambio de aire con el exterior se realiza mediante ventilación controlada a través de un intercambiador de calor para minimizar la pérdida de calor (o ganancia, dependiendo del clima), por lo que es mejor evitar fugas de aire incontroladas. [2] Otra razón es que el estándar de casa pasiva hace un uso extensivo del aislamiento que generalmente requiere una gestión cuidadosa de la humedad y los puntos de rocío . [62] Esto se logra a través de barreras de aire, sellado cuidadoso de cada junta de construcción en la envoltura del edificio y sellado de todas las penetraciones de servicio. [60]
El uso de ventilación natural pasiva es un componente integral del diseño de casas pasivas donde la temperatura ambiente es propicia, ya sea mediante ventilación singular o cruzada, mediante una abertura simple o mejorada por el efecto chimenea de una entrada más pequeña con ventanas de salida más grandes y/o un tragaluz operable desde el triforio .
Cuando el clima ambiental no es propicio, se emplean sistemas de ventilación con recuperación de calor mecánico con una tasa de recuperación de calor de más del 80% y motores conmutados electrónicamente (ECM) de alta eficiencia para mantener la calidad del aire y recuperar suficiente calor para prescindir de un sistema de calefacción central convencional. [2] Dado que los edificios diseñados pasivamente son esencialmente herméticos , la tasa de cambio de aire se puede optimizar y controlar cuidadosamente a aproximadamente 0,4 cambios de aire por hora . Todos los conductos de ventilación están aislados y sellados contra fugas.
Algunos constructores de casas pasivas promueven el uso de tubos de calentamiento de tierra . Los tubos suelen tener alrededor de 200 milímetros (7,9 pulgadas) de diámetro, 40 metros (130 pies) de largo a una profundidad de aproximadamente 1,5 metros (4,9 pies). Se entierran en el suelo para actuar como intercambiadores de calor tierra-aire y precalentar (o preenfriar) el aire de entrada para el sistema de ventilación. En climas fríos, el aire calentado también evita la formación de hielo en el intercambiador de calor del sistema de recuperación de calor . En algunos climas han surgido preocupaciones sobre esta técnica debido a problemas con la condensación y el moho. [63]
Además de aprovechar la energía solar pasiva , los edificios de casas pasivas aprovechan en gran medida el calor intrínseco que generan a partir de fuentes internas (como el calor residual de la iluminación, los electrodomésticos y otros dispositivos eléctricos, pero no los calentadores dedicados), así como el calor corporal de las personas y otros animales que se encuentran dentro del edificio. Esto se debe a que las personas, en promedio, emiten un calor equivalente a 100 vatios cada una de energía térmica irradiada .
Junto con las amplias medidas de conservación de energía adoptadas, esto significa que no es necesario un sistema de calefacción central convencional , aunque a veces se instalan debido al escepticismo de los clientes. [64]
En cambio, las casas pasivas a veces tienen un elemento de calefacción y/o refrigeración de doble propósito de 800 a 1.500 vatios integrado con el conducto de aire de suministro del sistema de ventilación, para su uso durante los días más fríos. Es fundamental para el diseño que todo el calor necesario pueda ser transportado por el bajo volumen de aire normal requerido para la ventilación. Se aplica una temperatura máxima del aire de 50 °C (122 °F), para evitar cualquier posible olor a quemado causado por el polvo que se escapa de los filtros del sistema.
Más allá de la recuperación de calor mediante la unidad de ventilación con recuperación de calor, una casa pasiva bien diseñada en el clima europeo no debería necesitar ninguna fuente de calor suplementaria si la carga de calefacción se mantiene por debajo de 10 W/m 2 . [65] [ enlace muerto ]
Las normas de las casas pasivas en Europa establecen una demanda energética de calefacción y refrigeración de 15 kWh/m2 ( 4.750 BTU/pie cuadrado) al año y una demanda máxima de 10 W/m2 ( 3,2 Btu/h/pie cuadrado). Además, la energía total que se utilizará en las operaciones del edificio, incluida la calefacción, la refrigeración, la iluminación, los equipos, el agua caliente, las cargas eléctricas, etc., está limitada a 120 kWh/m2 ( 38.000 BTU/pie cuadrado) de superficie de suelo tratada al año. [66] [ enlace inactivo ]
Se construyó una casa pasiva certificada en el clima cálido y húmedo de Lafayette , Luisiana , EE. UU. Utiliza ventilación con recuperación de energía y un eficiente acondicionador de aire de una tonelada para proporcionar refrigeración y deshumidificación. [72] [73]
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