Edificio de energía cero

Un edificio de energía cero ( ZEB ), también conocido como edificio de energía neta cero ( NZE ) o edificio de energía neta cero , es un edificio con un consumo energético anual neto cero , lo que significa que la cantidad total de energía utilizada por el edificio anualmente es igual o inferior a la cantidad de energía renovable creada en el sitio o adquirida a través de fuentes renovables externas. ^[¹^]^[²^] Estos edificios minimizan la demanda de energía operativa mediante envolventes de alto rendimiento, diseño solar pasivo , bombas de calor , iluminación LED y ventilación de alta eficiencia, satisfaciendo la carga energética restante mediante tecnologías renovables integradas, como paneles solares fotovoltaicos . ^[³^]

El objetivo principal de los edificios de energía cero es reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles durante su funcionamiento. Si bien los edificios de energía cero pueden importar electricidad de la red no renovable durante períodos de alta demanda o baja generación solar, exportan una cantidad equivalente o mayor de energía limpia a la red eléctrica a lo largo del año. ^{[ 4 ]} Más allá de la eficiencia operativa, el diseño moderno de energía cero aborda cada vez más el carbono incorporado —las emisiones generadas durante la extracción de materiales, la fabricación y la construcción— para garantizar la mitigación del cambio climático a lo largo de todo el ciclo de vida. ^{[ 5 ]}

La terminología y los marcos regulatorios varían internacionalmente. En Norteamérica, se utiliza ampliamente el término "energía neta cero" o "energía neta cero" (ZNE), mientras que la Unión Europea (UE) estableció históricamente el estándar de Edificio de Energía Casi Nula ( nZEB ) en virtud de la Directiva sobre el Rendimiento Energético de los Edificios (EPBD). ^{[ 6 ]} En 2024, la UE actualizó la directiva para exigir Edificios de Emisiones Cero ( ZEB ), que requieren cero emisiones de combustibles fósiles in situ y máxima eficiencia operativa, para todos los edificios públicos nuevos para 2028 y para todas las estructuras comerciales y residenciales nuevas para 2030. ^{[ 7 ]}

La adopción de estándares de construcción de energía cero está impulsada por mandatos gubernamentales de descarbonización, el aumento de los costos de los servicios públicos e incentivos financieros como créditos fiscales y subsidios. Más allá de las estructuras individuales, los principios de energía cero se están extendiendo a desarrollos a nivel de vecindario, conocidos como Distritos de Energía Positiva (PED, por sus siglas en inglés), que optimizan el intercambio de energía entre múltiples edificios interconectados. ^{[ 8 ]}

Descripción general

Los edificios típicos que cumplen con los códigos consumen aproximadamente el 40 % de la energía total de combustibles fósiles en los países desarrollados y son fuentes importantes de emisiones operativas globales de gases de efecto invernadero. ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Para mitigar los impactos climáticos, los códigos de construcción internacionales integran cada vez más objetivos de descarbonización para reducir las emisiones operativas y la dependencia de las redes de energía no renovable. ^{[ 4 ]}

La mayoría de los edificios de energía cero permanecen conectados a la red eléctrica , utilizando la medición neta o las tarifas de alimentación para equilibrar las fluctuaciones de generación estacionales y diarias. La conexión a la red elimina la necesidad de enormes y costosos sistemas de almacenamiento de baterías in situ, necesarios para las estructuras aisladas de la red . ^{[ 1 ]} Los edificios que generan un excedente de electricidad por encima de sus necesidades operativas anuales se clasifican como edificios de energía positiva . ^{[ 3 ]}

La viabilidad de los edificios de energía cero modernos ha avanzado debido a la reducción de costos en las tecnologías de energía limpia, especialmente la energía solar fotovoltaica y las bombas de calor aerotérmicas o geotérmicas, junto con mejoras en los materiales de la envolvente térmica, como la espuma proyectada , los paneles con aislamiento al vacío y el acristalamiento multipanel de baja emisividad . ^{[ 11 ]}

Los ZEB también pueden funcionar como nodos activos dentro de la infraestructura de red inteligente a través de sistemas de respuesta a la demanda e integración de vehículos eléctricos de vehículo a red (V2G), equilibrando las cargas de distribución eléctrica locales. ^{[ 12 ]}

Optimización para el impacto climático

Si bien los edificios de energía cero reducen las emisiones de carbono operativas, la actividad de construcción y los materiales de construcción generan un carbono incorporado significativo . ^{[ 5 ]} El carbono incorporado comprende los gases de efecto invernadero emitidos durante la extracción de recursos, el transporte, la fabricación y el ensamblaje estructural. A nivel mundial, el carbono incorporado representa aproximadamente el 11 % de todas las emisiones de gases de efecto invernadero y el 28 % de las emisiones del sector de la construcción. ^{[ 5 ]} A medida que mejora la eficiencia energética operativa, el carbono incorporado representa una mayor proporción de las emisiones totales del ciclo de vida de un edificio. ^{[ 13 ]}

Optimizar la construcción para lograr el máximo impacto climático requiere priorizar materiales de base biológica con bajas emisiones de carbono —como madera laminada, paja, linóleo y aislamiento de celulosa— sobre materiales con alto contenido de carbono como el cemento Portland tradicional y el acero virgen. ^{[ 14 ]} Los estudios indican que las estructuras de madera multifamiliares de baja y mediana altura logran una mitigación de carbono superior durante su ciclo de vida en comparación con los diseños de gran altura de vidrio y acero equipados con excesivos paneles solares en los tejados. ^{[ 13 ]}

Definiciones

A pesar de compartir objetivos similares, las definiciones de energía neta cero varían entre las distintas jurisdicciones regulatorias y la literatura científica. ^{[ 1 ]}^{[ 15 ]}

Energía neta cero en el sitio: La generación de energía renovable in situ es igual o superior a la cantidad de energía consumida anualmente por el edificio. La energía in situ se mide directamente en el perímetro del edificio. Esta es la definición principal utilizada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. ^{[ 2 ]}

Energía neta cero: Considera las pérdidas de extracción, transmisión y generación de energía primaria. Para lograr un estado de fuente cero neta, un edificio debe generar un excedente de electricidad en el sitio para compensar las pérdidas de distribución de servicios públicos fuera del sitio. ^{[ 2 ]}

cero emisiones netas de energía (cero carbono): Equilibra las emisiones operativas de carbono generadas por el uso de combustibles fósiles dentro o fuera del sitio con la generación de energía limpia dentro del sitio. Algunos marcos amplían esta definición para incluir las emisiones del transporte de los ocupantes y la energía incorporada en la construcción. ^{[ 16 ]}

Coste neto cero: Las compras financieras de energía se compensan con los ingresos financieros derivados de la inyección de electricidad autogenerada a la red bajo tarifas de medición neta. ^{[ 1 ]}

Fuera de la red: Edificios independientes y autónomos, no conectados a la infraestructura de servicios públicos de energía, que requieren generación renovable in situ y almacenamiento local de energía (sistemas de baterías o almacenamiento térmico) para satisfacer todas las demandas eléctricas y térmicas. ^{[ 1 ]}

Distrito de Energía Positiva (PED): Extiende los principios de cero emisiones netas a la escala de un distrito urbano, donde un conjunto de edificios conectados produce colectivamente un excedente de energía renovable anualmente a través de redes de energía compartidas y sistemas térmicos de distrito. ^{[ 8 ]}

Diseño y construcción

El diseño de energía cero requiere un enfoque de ingeniería holístico e integrado durante las primeras fases del diseño. ^{[ 17 ]} Los diseñadores combinan estrategias pasivas —orientación solar, iluminación natural, ventilación natural, masa térmica y superaislamiento de alto rendimiento— con sistemas mecánicos activos. ^{[ 18 ]}

Las herramientas de simulación energética de edificios en 3D (como EnergyPlus y OpenStudio) modelan el rendimiento de los edificios en función de los datos climáticos locales, lo que permite la microoptimización de las relaciones ventana-pared, los voladizos de sombreado, los valores de aislamiento y las clasificaciones de estanqueidad al aire antes de la construcción. ^{[ 2 ]}

Las principales características de eficiencia energética incluyen:

**Envolvente térmica:** Aislamiento continuo en paredes, techos y cimientos mediante espuma proyectada, bloques de hormigón aislante (ICF) o madera maciza, combinado con ventanas de baja emisividad de triple o cuádruple acristalamiento para minimizar los puentes térmicos.
**Sistemas HVAC:** Bombas de calor aerotérmicas o geotérmicas , que alcanzan coeficientes de rendimiento (COP) de hasta 4,0, lo que las hace cuatro veces más eficientes que los hornos de combustión. ^{[ 19 ]}
**Ventilación:** Sistemas de ventilación con recuperación de calor (HRV) o de ventilación con recuperación de energía (ERV) que capturan la energía térmica del aire de escape para atemperar el aire exterior entrante.
**Iluminación y reducción de carga:** Luminarias LED de alta eficiencia combinadas con sensores de luz natural, regletas inteligentes para reducir el consumo de energía en modo de espera y electrodomésticos Energy Star. ^{[ 19 ]}

Recolección de energía

Los edificios de consumo energético cero (ZEB) generan electricidad y energía térmica in situ para compensar las cargas del edificio. La tecnología más extendida son los sistemas solares fotovoltaicos (BIPV) instalados en el tejado o integrados en el edificio. Las necesidades térmicas se satisfacen mediante bombas de calor aerotérmicas, circuitos geotérmicos terrestres o colectores solares térmicos conectados a unidades de almacenamiento de energía térmica estacional (STES). ^{[ 1 ]}

Captación de energía frente a conservación de energía

Un debate central en el diseño busca equilibrar la conservación de la envolvente del edificio (aislamiento, sellado hermético) con la captación activa de energía (grandes paneles solares). ^{[ 20 ]}

Si bien agregar paneles solares a un edificio estándar ineficiente puede producir un balance neto cero teórico sobre el papel, los marcos de diseño pasivo como Passive House priorizan la eficiencia extrema de la envolvente para reducir la demanda subyacente entre un 70 % y un 90 % antes de instalar energías renovables. ^{[ 21 ]} La conservación de la envolvente proporciona resiliencia pasiva durante los apagones de la red y evita las altas demandas de energía pico que sobrecargan las redes de servicios públicos locales. ^{[ 20 ]}

Rehabilitaciones rápidas para estructuras existentes

Para descarbonizar el parque de edificios existente, los paquetes de rehabilitación prefabricados industrializados (como el modelo holandés Energiesprong ) aplican paneles de pared aislantes a medida y bombas de calor integradas sobre las fachadas de los edificios existentes en cuestión de días, convirtiendo las estructuras antiguas en estándares de rendimiento de cero emisiones netas. ^{[ 22 ]}

Problemas relacionados con los servicios públicos

Las empresas eléctricas se enfrentan a desafíos operativos y financieros derivados de la adopción generalizada de edificios con consumo energético neto cero. ^{[ 23 ]}

Según las regulaciones tradicionales de medición neta , los propietarios de edificios de consumo energético casi nulo (ZEB) inyectan el excedente de electricidad solar a la red durante las horas centrales del día y consumen energía de la red por la noche o durante el invierno. Los operadores de servicios públicos sostienen que la medición neta permite a los propietarios de ZEB evitar el pago de costos fijos por el mantenimiento de la red y la infraestructura de transmisión, transfiriendo los costos de mantenimiento de la red a los clientes de menores ingresos que no son ZEB. ^{[ 23 ]} En respuesta, las comisiones reguladoras de varias jurisdicciones han introducido cargos fijos por conexión a la red, tarifas mínimas mensuales por servicio o estructuras tarifarias por franjas horarias (TOU) para garantizar una distribución equitativa de los costos de la red. ^{[ 23 ]}

Además, las altas concentraciones de generación solar distribuida pueden causar flujos de potencia inversos en los alimentadores de distribución de baja tensión, creando inestabilidad en la tensión de la red y el fenómeno de la "curva del pato", donde la demanda neta cae bruscamente durante el mediodía y aumenta rápidamente por la noche. ^{[ 12 ]}

Esfuerzos de desarrollo

Políticas y directrices internacionales

Entre 2008 y 2013, la iniciativa SHC Task 40 / EBC Annex 52 de la Agencia Internacional de Energía (AIE) estableció marcos de definición internacionales para los conceptos de edificios de consumo energético neto cero (Net ZEB). ^{[ 24 ]}

En Estados Unidos, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) clasificó los ZEB en cuatro opciones del lado de la oferta: ^{[ 3 ]}

**NZEB:A** – Utiliza energías renovables in situ dentro de la superficie del edificio.
**NZEB:B** – Utiliza energías renovables in situ dentro de los límites del solar.
**NZEB:C** – Utiliza energía renovable externa que se trae al sitio (biomasa, calor residual).
**NZEB:D** – Adquiere créditos de energía renovable (RECs) certificados fuera de sus instalaciones o contratos de energía verde fuera de sus instalaciones.

Ventajas y desventajas

Ventajas

**Inmunidad al costo de la energía:** Protege a los propietarios de edificios contra la inflación futura de las tarifas de servicios públicos. ^{[ 1 ]}
**Confort térmico:** Proporciona temperaturas interiores uniformes gracias a un aislamiento de alto rendimiento y un sellado hermético. ^{[ 19 ]}
**Resiliencia de la red:** Los sistemas solares y de baterías en el sitio proporcionan energía de respaldo durante cortes de energía en la red causados por condiciones climáticas severas. ^{[ 19 ]}
**Prima en el valor de la propiedad:** Los edificios de energía cero (ZEB) obtienen valores de tasación más altos y tiempos de reventa más rápidos debido a los menores costos operativos. ^{[ 1 ]}
**Descarbonización social:** Reduce las emisiones nacionales de gases de efecto invernadero y mitiga la demanda máxima de energía cuando se combina con el almacenamiento térmico. ^{[ 4 ]}

Desventajas

**Mayor costo de capital inicial:** Las primas iniciales para bombas de calor, vidrio de triple panel y sistemas fotovoltaicos solares requieren períodos de recuperación financiera. ^{[ 21 ]}
**Escasez de mano de obra especializada:** Se requieren conocimientos especializados en ingeniería de diseño, modelado energético y construcción hermética. ^{[ 21 ]}
**Sombreado y limitaciones del sitio:** Los sistemas solares pasivos y los paneles fotovoltaicos en azoteas no pueden lograr una generación neta cero en sitios con mucho sombreado, orientados al norte o en zonas urbanas de alta densidad. ^{[ 1 ]}
**Emisiones incorporadas de los materiales:** El vidrio, las células solares y los sistemas de baterías tienen una alta huella de carbono incorporada en su fabricación inicial. ^{[ 5 ]}

Energía cero frente a construcción verde frente a calefacción cero

**Construcción verde:** Se centra ampliamente en la eficiencia de los recursos, la conservación del agua, los materiales no tóxicos y la calidad del aire interior, pero no exige estrictamente un balance energético neto cero. ^{[ 25 ]}
**Edificio de energía cero:** Busca específicamente la neutralidad energética operativa anual, independientemente de si se utilizan materiales estructurales reciclados o sostenibles. ^{[ 2 ]}
**Edificio de calefacción cero:** Utiliza acristalamiento al vacío de valor U ultrabajo y recuperación de calor para eliminar por completo los sistemas de calefacción dedicados, con el objetivo de lograr demandas anuales de calefacción inferiores a 3 kWh/ ^m²a . ^{[ 15 ]}

Normas de certificación

Entre los principales sistemas de certificación internacional para vehículos de energía cero se incluyen:

** Casa Pasiva (Passivhaus) :** Se centra en un rendimiento extremo de la envolvente, estanqueidad al aire ( ≤ 0,6 ACH50 ) y baja demanda de calefacción ( ≤ 15 kWh/m ² /año).
** LEED Zero Energy :** Otorgado por el Consejo de Edificación Ecológica de Estados Unidos (USGBC) por un consumo neto de energía cero verificado durante un período de rendimiento de 12 meses.
**Certificación ILFI de Energía Cero:** Administrada por el Instituto Internacional del Futuro Vivo (ILFI) bajo el Desafío del Edificio Vivo , que requiere que el 100% de la energía operativa provenga de fuentes renovables limpias sin combustión in situ. ^{[ 26 ]}

Adopción y política a nivel mundial

Australia

En 2019, los ministros de energía australianos establecieron la Trayectoria para Edificios de Bajo Consumo Energético para establecer una vía nacional hacia códigos de construcción comerciales y residenciales de energía cero para 2050. ^{[ 27 ]} Entre los proyectos notables se incluye Council House 2 (CH ₂ ) en Melbourne, que obtuvo una calificación Green Star de 6 estrellas.

Canadá

La política climática nacional de Canadá incluye la estrategia Build Smart, que busca lograr un rendimiento de energía neta cero en todos los nuevos códigos de construcción para 2030. ^{[ 28 ]} Columbia Británica implementó el BC Energy Step Code , que establece una hoja de ruta legal progresiva para que los municipios exijan la construcción de energía neta cero para 2032. La Asociación Canadiense de Constructores de Viviendas administra un programa voluntario de etiquetado de Viviendas de Energía Neta Cero.

Porcelana

El Ministerio de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural de China (MOHURD) introdujo códigos técnicos para edificios residenciales pasivos de bajo consumo energético para apoyar el objetivo nacional de China de alcanzar el pico de emisiones de carbono antes de 2030 y la neutralidad de carbono para 2060. ^{[ 29 ]} Un proyecto emblemático de demostración comercial es la Torre del Río Perla de 71 pisos en Guangzhou. ^{[ 30 ]}

unión Europea

Según la Directiva actualizada de 2024 sobre el rendimiento energético de los edificios (EPBD), los Estados miembros de la Unión Europea deben aplicar normas de edificios de cero emisiones (ZEB) para todos los edificios públicos nuevos antes de 2028 y para todos los edificios comerciales y residenciales nuevos antes de 2030. ^{[ 7 ]} Los ZEB deben producir cero emisiones de carbono operativas in situ procedentes de combustibles fósiles y cumplir con estrictos límites de demanda de energía primaria.

Japón

El Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón (METI) estableció objetivos en su hoja de ruta nacional que exigen que todas las viviendas residenciales de nueva construcción alcancen los estándares de rendimiento de Casa de Energía Neta Cero (ZEH) para 2030. ^{[ 31 ]}

Corea del Sur

Corea del Sur impuso la certificación ZEB para edificios del sector público de más de 1000 ^m² en 2020, extendiendo esta exigencia a todos los edificios públicos y grandes estructuras comerciales privadas para 2025. Corea del Sur tiene como objetivo lograr el cumplimiento universal de la certificación ZEB en la construcción residencial y comercial privada para 2030. ^[³²^]

Reino Unido

El gobierno del Reino Unido introdujo el Estándar de Viviendas y Edificios del Futuro, que exige que las nuevas viviendas construidas a partir de 2025 produzcan entre un 75 % y un 80 % menos de emisiones de carbono que los códigos históricos, con cero emisiones operativas a medida que se descarboniza la electricidad de la red local. ^{[ 33 ]}

Estados Unidos

La política federal de edificios de energía cero (ZEB) se coordina a través del Programa Building America del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y el Programa Federal de Gestión Energética (FEMP). La Ley de Reducción de la Inflación de 2022 amplió significativamente los créditos fiscales para la construcción de energía cero, extendiendo el Crédito para Viviendas Energéticamente Eficientes de la Sección 45L (hasta $5,000 por unidad para Viviendas Preparadas para Energía Cero certificadas) y la deducción de eficiencia energética para edificios comerciales de la Sección 179D. ^{[ 34 ]} En 2024, el DOE publicó una Definición Nacional estandarizada de un Edificio de Emisiones Cero. ^{[ 35 ]}

A nivel estatal, California exige objetivos de energía neta cero a través de los códigos de construcción del Título 24 (CALGreen). ^{[ 36 ]} Otras iniciativas estatales incluyen los programas municipales de demostración de edificios libres de combustibles fósiles de Massachusetts y la Ley de Liderazgo Climático y Protección Comunitaria (CLCPA) del estado de Nueva York.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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