Potencial fotovoltaico de la envolvente de la vivienda social en altura en Bogotá, Colombia

POTENCIAL FOTOVOLTAICO DE LA ENVOLVENTE EN LA VIVIENDA SOCIAL EN ALTURA EL CASO DE BOGOTÁ, COLOMBIA 1 2 Trabajo de Fin de Máster POTENCIAL FOTOVOLTAICO DE LA ENVOLVENTE DE LA VIVIENDA SOCIAL EN ALTURA EL CASO DE BOGOTÁ, COLOMBIA Diana Rocio Ramirez Rodriguez Directora TFM: Dra. Elena García Nevado Programa: Estudios avanzados de arquitectura Especialidad: Arquitectura, Energía y Medio Ambiente Universidad: Universitat Politècnica de Catalunya Ciudad y año: Barcelona, 2025 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 3 4 AGRADECIMIENTOS A mi directora de tesina Elena García, por su gran apoyo y dedicación a lo largo de este proceso. También agradezco a cada uno y una de mis docentes del máster por todo el conocimiento y experiencias compartidas, y a la UPC por abrirme sus puertas. A mi familia, amigues y a todas aquellas personas que me han apoyado sin importar la distancia y que han compartido conmigo este tiempo de intenso trabajo académico, profesional y personal, infinitas gracias. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 5 RESUMEN La creciente preocupación global por el medio ambiente, la dependencia energética y la escasez e impacto de los combustibles fósiles ha impulsado el desarrollo de tecnologías avanzadas para la generación de energías renovables. Esto se alinea con los objetivos de la Agenda 2030 de las Naciones Unidas, que enfatiza en que la transición del consumo final de energía provenga de fuentes renovables, con el propósito de descarbonizar las ciudades a nivel mundial. En este contexto, la investigación en el campo de la energía solar ha destacado la relevancia de los diferentes sistemas fotovoltaicos, que incluyen los sistemas convencionales adosados a edificios existentes (BAPV), los integrados en edificios (BIPV) y los térmicos integrados (BIPVT). Estas soluciones ofrecen una alternativa efectiva para satisfacer la demanda energética con bajas emisiones, considerando el limitado ciclo de vida útil de los sistemas. Esta investigación evalúa el potencial fotovoltaico en distintas tipologías de vivienda social en altura en Bogotá y analiza la viabilidad de integrar sistemas fotovoltaicos adosados a los edificios (BAPV) como estrategia para descarbonizar el sistema energético actual. Se concluye que las superficies horizontales presentan el mayor potencial de aprovechamiento, mientras que en tipologías con menor área disponible, como en la tipología de torre, el porcentaje de cobertura es reducido e incluso insuficiente para cubrir el alto consumo energético y requiere de aprovechar otras superficies verticales para obtener la cobertura energética suficiente. El tiempo de amortización de CO₂ de estos sistemas simulados es de dos años en promedio, mientras que la amortización económica y de ahorro de energía se estima en ocho años con cálculos de 2025, considerando un ciclo de vida útil de 25 años y los datos asociados al proceso de economía circular del sistema. El estudio resalta la importancia de seguir gestionando e invirtiendo en energías renovables en Colombia, destacando los beneficios de los sistemas fotovoltaicos pese a sus limitaciones. Asimismo, enfatiza en la necesidad de avanzar hacia una sobriedad energética y un decrecimiento material progresivo para realmente alcanzar una transición energética sostenible. PALABRAS CLAVE Energía renovable, energía solar, potencial fotovoltaico, descarbonización y vivienda social en altura. 6 ABSTRACT The growing global concern for the environment, energy dependence and the scarcity and impact of fossil fuels has driven the development of advanced technologies for renewable energy generation. This is aligned with the objectives of the United Nations 2030 Agenda, which emphasizes that the transition of final energy consumption should come from renewable sources, with the aim of decarbonizing cities worldwide. In this context, research in the field of solar energy has highlighted the relevance of different photovoltaic systems, including conventional systems attached to existing buildings (BAPV), building-integrated (BIPV) and building-integrated thermal (BIPVT). These solutions offer an effective alternative to meet energy demand with low emissions, considering the limited life cycle of the systems. This research evaluates the photovoltaic potential in different typologies of high-rise social housing in Bogota and analyzes the feasibility of integrating photovoltaic systems attached to buildings (BAPV) as a strategy to decarbonize the current energy system. It is concluded that horizontal surfaces present the greatest potential for use, while in typologies with less available area, as in the tower typology, the percentage of coverage is reduced and even insufficient to cover the high energy consumption and requires taking advantage of other vertical surfaces to obtain sufficient energy coverage. The CO₂ payback time of these simulated systems is two years on average, while the economic and energy savings payback is estimated at eight years with 2025 calculations, considering a useful life cycle of 25 years and the data associated with the circular economy process of the system. The study highlights the importance of continuing to manage and invest in renewable energies in Colombia, highlighting the benefits of photovoltaic systems despite their limitations. It also emphasizes the need to move towards energy sobriety and a progressive material decrease in order to truly achieve a sustainable energy transition. KEYWORDS: Renewable energy, solar energy, photovoltaic potential, decarbonization and high-rise social housing. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 7 TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ....................................................................................................................................... 6 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 7 CAPÍTULO I - PLANTEAMIENTO GENERAL ................................................................................ 11 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 12 1.1 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................... 13 Panorama energético global actual ......................................................................................... 13 Panorama energético actual de Colombia ............................................................................. 14 Potencial de energìa renovable en Colombia ......................................................................... 17 Gestión y planificación energética ........................................................................................... 18 1.2 HIPÓTESIS .................................................................................................................................. 19 1.3 OBJETIVOS .................................................................................................................................. 19 CAPÍTULO II - ESTADO DEL ARTE ............................................................................................... 20 2.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ............................................................................................ 21 2.2 SISTEMAS BAPV, BIPV Y BIPVT EN EDIFICIOS ..................................................................... 24 2.3 METODOLOGÍA SOBRE LAS PÉRDIDAS MÁXIMAS DE ENERGÍA FV EN EDIFICIOS. ..... 25 2.4 CONTRADICCIONES DEL IMPACTO AMBIENTAL ................................................................. 26 2.5 ECONOMÍA CIRCULAR ............................................................................................................... 27 CAPÍTULO III - METODOLOGÍA .................................................................................................... 29 3.1 SELECCIÓN DE LAS VIVIENDAS SOCIALES SEGÚN LA TIPOLOGÍA ................................. 32 3.2 ESTUDIO GLOBAL DE LA ENVOLVENTE ................................................................................. 33 Modelado geométrico ................................................................................................................ 33 Simulación de radiación directa recibida ................................................................................ 34 Cálculo de la producción FV ...................................................................................................... 36 Cálculo de la producción de energía FV (kWh/año) ............................................................. 37 Cálculo de la cobertura del consumo energético (%) ........................................................... 37 Modelo de consumo energético residencial en la ciudad ................................................... 38 3.3 ESTUDIO DE DETALLE DE LA CUBIERTA ................................................................................ 39 CAPÍTULO IV - CASO DE ESTUDIO .............................................................................................. 41 4.1 EL CLIMA DE BOGOTÁ ................................................................................................................ 42 4.2 RADIACIÓN SOLAR ..................................................................................................................... 44 Plano horizontal ........................................................................................................................... 44 Plano vertical ................................................................................................................................ 45 4.3 VIVIENDA SOCIAL EN BOGOTÁ ............................................................................................... 46 Proyectos estatales y privados de viviendas sociales en Bogotá de 1950-2005. .......... 47 Tipos básicos de agrupación de viviendas multifamiliares en altura. .............................. 47 8 4.4 SELECCIÓN DE BARRIOS Y TIPOLOGÍAS ............................................................................. 49 4.5 DESCRIPCIÓN DE LAS FICHAS DE LOS CASOS DE ESTUDIO ............................................ 53 CAPÍTULO V - TIPOLOGÍAS DE ESTUDIO .................................................................................... 59 5.1 TIPOLOGÍA BARRA ...................................................................................................................... 61 5.1.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente ....................................... 61 5.1.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta .................................... 63 5.2 TIPOLOGÍA BLOQUE EN CRUZ .................................................................................................. 65 5.2.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente ....................................... 65 5.2.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta .................................... 67 5.3 TIPOLOGÍA BLOQUE CLAUSTRO .............................................................................................. 69 5.3.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente ....................................... 69 5.3.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta .................................... 71 5.4 TIPOLOGÍA TORRE BAJA ........................................................................................................... 73 5.4.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente ....................................... 73 5.4.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta .................................... 75 5.5 TIPOLOGÍA TORRE ALTA ............................................................................................................ 77 5.5.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente ....................................... 77 5.3.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta .................................... 79 CAPÍTULO VI - RESULTADOS ....................................................................................................... 81 6.1 PORCENTAJE DE COBERTURA EN LA CUBIERTA ................................................................ 82 6.2 PRODUCCIÓN ENERGÉTICA SIMULADA VS AUTOCONSUMO .......................................... 83 6.3 HUELLA DE CARBONO EVITADA POR TIPOLOGÍA ............................................................... 84 6.4 AMORTIZACIÓN DE CO2 Y FINANCIERA ................................................................................ 85 CAPÍTULO VII - CONCLUSIONES ................................................................................................. 86 Futuras líneas de investigación ................................................................................................ 89 REFERENCIAS ............................................................................................................................... 90 LISTA DE FIGURAS Y TABLAS ......................................................................................................... 93 ANEXOS ........................................................................................................................................ 96 ANEXO 1. Fichas de la tipología en barra ...................................................................................... 97 ANEXO 2. Fichas de la tipología en bloque en cruz ................................................................... 102 ANEXO 3. Fichas de la tipología en bloque - claustro ............................................................... 107 ANEXO 4. Fichas de la tipología torre baja ................................................................................. 112 ANEXO 5. Fichas de la tipología torre alta .................................................................................. 117 ANEXO 6. Estudio de tipologías .................................................................................................... 122 ANEXO 7. Datos de radiación solar con PVGIS .......................................................................... 123 ANEXO 8. Corrección de radiación directa corregida con datos climáticos ........................ 123 ANEXO 9. Radiación incidente real - Umbral de aprovechamiento ....................................... 124 ANEXO 10. Cálculos de excel tipología en barra ........................................................................ 125 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 9 Figura 4. Consumo de energía primaria total per cápita por fuente Fuente: Tomado de Our World in data (2024) con representación propia. [39] El Plan Energético Nacional (PEN) 2022-2050 establece una hoja de ruta para integrar energías renovables como la eólica, solar y geotérmica. Tras la COP26 en 2021, Colombia se comprometió a reducir un 51% las emisiones de GEI para 2030. Este objetivo está respaldado por la Estrategia 2050 (E2050), la Ley de Acción Climática y la Política de Transición Energética del CONPES, que define estrategias claves para alcanzar estas metas [41] . Adicionalmente, el reporte de Movilización de inversiones en energías limpias en Colombia de 2024 enmarca estrategias para lograr cero emisiones netas y una transición justa. En la figura 5, se compara el consumo de energía, la capacidad instalada y prevista de fuentes renovables con proyección a 2050. En este informe, en 2021, el 29% del consumo de energía primaria en el país provino de fuentes renovables, lideradas por la hidroeléctrica, biomasa y biocombustibles. La inversión prevista en renovables busca reducir la dependencia de combustibles fósiles y abastecer energéticamente al país en el futuro (ver figura 5) [41] . Figura 5. Consumo de energía, capacidad instalada y prevista de fuentes renovables Fuente: Datos tomados de Weforum (2024) con representación propia [41] 16 Potencial de energìa renovable en Colombia La ubicación geográfica y las condiciones meteorológicas del país ofrecen un potencial significativo para fuentes renovables no hidroeléctricas (FER), como la fuente solar. Cerca de la línea del Ecuador, Colombia tiene altos niveles de radiación solar, alcanzando hasta 6 kWh/m². Esto representa un potencial fotovoltaico de 42 GWh, equivalente al 0,05% de la oferta energética actual (ver figura 4). Por medio de iniciativas del Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas en Zonas No Interconectadas (IPSE), se han instalado 2,5 MW de capacidad fotovoltaica en áreas rurales y otros macroproyectos de parques solares [13][15] . Para 2023, según el Instituto de estudios para el desarrollo y la paz (INDEPAZ), se han registrado 1.004 proyectos solares con una capacidad instalada proyectada de 27.211 MW, concentrándose en los departamentos del norte como Cesar, La Guajira, Córdoba y Santander. De estos, el 19% son proyectos que se encuentran vigentes en fases de inicio de generación, mientras que el resto (en azul claro) se encuentra en proceso de tramitación (ver figura 6) [42] . Figura 6. Potencial de energía fotovoltaica en Colombia Fuente: Datos tomados de Solar Resource map Solargis (2021), UPME (2020) y del Indepaz (2023), con representación propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 17 Gestión y planificación energética La Unidad de Planeación Minero Energética (UPME) ha liderado iniciativas nacionales que inciden sobre el desarrollo y aprovechamiento de los recursos energéticos y mineros. Para 2022 fue actualizado el informe del Factor de Emisiones del Sistema Interconectado Nacional (SIN), el cual tiene como objetivo cuantificar las reducciones de GEI en el sector eléctrico. Dichos factores reflejan la intensidad de emisiones generadas por la electricidad durante un año, y ha sido implementado el valor de FE para proyectos eólicos y solares en los estudios de caso realizados en esta investigación (ver tabla 1) [14] . Tabla 1. Factor de emisiones de la red eléctrica en Colombia. FE de la red para proyectos eólicos y solares 0.504 t CO2eq/MWh FE de la red para otros proyectos (primer periodo crediticio) 0.403 t CO2eq/MWh FE de la red para otros proyectos (segundo y tercer periodo crediticio) 0.303 t CO2eq/MWh FE de emisión de la red para inventarios de GEI o huella de carbono 0.126 t CO2eq/MWh Fuente: Datos tomados de UPME con representación propia [14] En el Plan Estratégico Nacional 2020-2050 define ocho objetivos estratégicos para transformar el sistema energético hacia un modelo de desarrollo sostenible, entre los cuales destacan: garantizar acceso universal a energía confiable, diversificar la matriz energética, adoptar tecnologías eficientes, promover un mercado competitivo y resiliente, y avanzar hacia una economía baja en emisiones. Estos lineamientos son fundamentales para lograr la descarbonización energética proyectada para 2050 [15] . Con este enfoque integral, Colombia se encuentra en una posición con diversas oportunidades y proyectos para llevar a cabo una completa transición energética, promoviendo las fuentes de energía renovables no hidráulicas y reduciendo su dependencia de combustibles fósiles. 18 1.2 HIPÓTESIS La implementación de sistemas fotovoltaicos en viviendas sociales contribuye significativamente a la descarbonización del sistema energético de Bogotá, reduciendo las emisiones de CO2 durante su vida útil. 1.3 OBJETIVOS Objetivo general Comparar el potencial fotovoltaico entre distintas tipologías de viviendas sociales en altura en Bogotá y evaluar la viabilidad de adicionar sistemas fotovoltaicos a edificios existentes para contribuir a la descarbonización del sistema energético residencial. Objetivos específicos 1. Seleccionar casos de estudio representativos de diversas tipologías de viviendas sociales en altura en Bogotá. 2. Cuantificar el potencial fotovoltaico de las tipologías seleccionadas a nivel de edificio, basándose en la radiación solar real en la ciudad. 3. Analizar el potencial fotovoltaico según el tipo de superficie (vertical y horizontal) y su orientación en las tipologías seleccionadas. 4. Evaluar la capacidad de cobertura del consumo eléctrico residencial que se puede alcanzar con la energía generada a nivel de edificio teórico y real. 5. Examinar la viabilidad del uso de energía fotovoltaica en el contexto de la vivienda social en altura en Bogotá, considerando la reducción de la huella de carbono y el tiempo de amortización de CO2 y de la inversión. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 19 CAPÍTULO II - ESTADO DEL ARTE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA SISTEMAS BAPV, BIPV Y BIPVT EN EDIFICIOS PÉRDIDAS MÁXIMAS DE ENERGÍA FV EN EDIFICIOS CONTRADICCIONES DEL IMPACTO AMBIENTAL ECONOMÍA CIRCULAR 20 2.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA La energía solar fotovoltaica se genera mediante la conversión directa de la radiación solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico. Este fenómeno, descubierto por Becquerel en 1839, ocurre cuando un material semiconductor, como el silicio, absorbe fotones de luz solar. Al hacerlo, la energía del fotón se transfiere a un electrón del material, permitiéndole pasar de la banda de valencia a la banda de conducción, generando así electricidad. [46] La capa semiconductora de la célula solar es importante, ya que es donde se genera la corriente de electrones. Al incidir la luz solar sobre la célula, se liberan electrones que son capturados por un campo eléctrico, generando así la corriente eléctrica. Por esta razón, las células solares están hechas de materiales que actúan como aislantes a bajas temperaturas y se convierten en conductores cuando se aumenta la energía incidente [16][17] . Dependiendo del material utilizado en la fabricación de las células solares, existen diferentes tipos de células con distintos niveles de eficiencia (coeficiente de rendimiento o PR). Por ejemplo, las células de silicio amorfo, sulfuro de cadmio y cobre tienen una eficiencia del 10% (menor rendimiento), las policristalinas hasta el 14%, las monocristalinas hasta un 18%, mientras que las células bifaciales, que capturan radiación frontal, difusa y reflejada, pueden alcanzar hasta un 30% de eficiencia (mayor rendimiento) (ver figura 7) [17] . Figura 7. Clasificación de paneles fotovoltaicos de silicio Fuente: Tomado de Solar Magazine con representación propia. [18] Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 21 En cuanto a los tipos de sistemas fotovoltaicos (ver figura 8), existen tres principales según su conexión [16][19] : 1. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red : Estos son los más económicos, ya que la energía generada durante el día se autoconsume y los excedentes se introducen en la red eléctrica. Durante las horas sin sol, la energía se obtiene de la red. La compensación por los excedentes depende de las políticas públicas de cada país. 2. Sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica : Estos sistemas no están conectados a la red y dependen de un sistema de baterías que almacena la energía generada durante el día para su consumo nocturno. 3. Sistemas fotovoltaicos híbridos : Combinan características de los sistemas conectados a la red y los aislados, utilizando un banco de baterías. Este enfoque permite un mayor control y seguridad en la generación, consumo y almacenamiento de la energía eléctrica. 22 Figura 8. Tipos de sistemas fotovoltaicos Fuente: Elaboración propia a partir de la página web Ilumin. [20] Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 23 De acuerdo al mercado actual en Colombia, en la siguiente tabla se presentan dos de los más comunes tipos de paneles fotovoltaicos de autoconsumo distribuidos por Autosolar . Tabla 2. Clasificación de paneles fotovoltaicos en el mercado local Fuente: Elaboración propia a partir de la página de Autosolar [21]. 2.2 SISTEMAS BAPV, BIPV Y BIPVT EN EDIFICIOS Los sistemas fotovoltaicos empleados en edificios se dividen en dos categorías principales y una reciente: Sistemas fotovoltaicos adosados a edificios (BAPV), sistemas fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV) y sistemas fotovoltaicos/ térmicos integrados en edificios (BIPVT) (ver figura 9). La diferencia clave entre los BAPV y BIPV radica en su integración con la estructura del edificio. Los sistemas BAPV se instalan sobre la superficie del edificio, afectando directamente las funciones de la envolvente del mismo. En contraste, los BIPV son módulos fotovoltaicos que se integran funcionalmente en la estructura del edificio, reemplazando materiales de construcción tradicionales y desempeñando un papel esencial desde la fase inicial de diseño y planificación del proyecto arquitectónico [1] . Para que un sistema se considere BIPV, debe cumplir con varios criterios, como el diseño y la planificación adecuados, la durabilidad a lo largo del tiempo, el mantenimiento, el cumplimiento de normativas y regulaciones locales, la seguridad, y el rendimiento. Todos estos aspectos son fundamentales para asegurar que el sistema cumpla con su propósito inicial de cubrir las necesidades energéticas del edificio. 24 Además de los sistemas BIPV, los sistemas fotovoltaicos y térmicos integrados en edificios (BIPVT) representan una solución avanzada con un alto potencial para suministrar tanto electricidad como calor, lo que permite una respuesta integral a las necesidades energéticas de los edificios. Estas tecnologías recientes se centran en dos áreas clave: los BIPV buscan mejorar la eficiencia mediante la ventilación, lo que incrementa el rendimiento al reducir la temperatura interna de los paneles solares, especialmente durante el verano; mientras que los BIPVT se enfocan en el desarrollo de nuevas tecnologías de capa fina que se integran eficazmente en la estructura del edificio permitiendo el control térmico del interior del edificio con estrategias pasivas [1]. A nivel global, España lidera la investigación en aplicaciones BIPV, Estados Unidos ha avanzado en estudios de simulación, Corea del Sur se destaca en el diseño de celdas y módulos fotovoltaicos, y Australia ha abordado aspectos relacionados con redes, políticas y estrategias para la implementación de estas tecnologías [1] Figura 9. Clasificación de sistemas BIPVT, BIPV y BAPV Fuente: Biyik, E, et al. (2017) con representación propia. 2.3 METODOLOGÍA SOBRE LAS PÉRDIDAS MÁXIMAS DE ENERGÍA FV EN EDIFICIOS. En Colombia, se estima que el consumo promedio de electricidad en los hogares varía según el clima. En regiones cálidas, el consumo mensual promedio es de 173 kWh, mientras que en climas templados y fríos, como Bogotá, es de aproximadamente 130 kWh por mes, lo que equivale a un consumo anual de alrededor de 1.560 kWh. Este consumo es relativamente bajo ya que en gran medida no se consume energía por climatización en los hogares en comparación con otros países como España, donde el consumo per cápita alcanza los 5.039 kWh anuales, es decir, más de tres veces el consumo promedio en Colombia con datos de 2024 [22][23] . En la implementación de normas técnicas para reducir pérdidas asociadas a la radiación solar en Colombia, se ha trabajado en la reducción de pérdidas causadas por el sombreado, la radiación difusa del entorno y la orientación inadecuada de sistemas fotovoltaicos en superficies construidas. Esta metodología de cálculo es adaptable a cualquier país, tomando como referencia aquellos que ya cuentan con normativas técnicas en el ámbito de la energía fotovoltaica [24] . Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 25 3.1 SELECCIÓN DE LAS VIVIENDAS SOCIALES SEGÚN LA TIPOLOGÍA Para la selección de las viviendas sociales, se partió de la revisión documental del estudio Vivienda social en altura: tipologías urbanas y directrices de producción en Bogotá [37] , que abarca desde 1930 hasta 2005. A partir del cuadro de proyectos estatales de VS en altura de este estudio, se analizaron 15 proyectos con diferentes alturas y ubicaciones (ver en anexos). De estos, se seleccionaron cinco tipologías representativas para los casos de estudio (ver figura 13), basadas en sus diferencias formales y en el potencial fotovoltaico de sus envolventes. Estos edificios seleccionados tienen fachadas lisas y sin balcones, orientaciones similares, sin obstrucciones en la cubierta y distancias adecuadas que eviten sombras durante el día en su entorno inmediato. Figura 13. Ubicación de las viviendas sociales en altura. Fuente: Autoría propia. 32 3.2 ESTUDIO GLOBAL DE LA ENVOLVENTE Se realiza un estudio del potencial fotovoltaico de toda la envolvente, considerando cubiertas y fachadas (en todas las orientaciones). El objetivo es obtener un valor teórico sobre el máximo potencial FV en el caso de que pudiera aprovecharse el 100% de la superficie del edificio (excepto ventanas y otras superficies residuales de menor tamaño). Este estudio se basa en simulaciones de radiación realizadas en el software Heliodon [28] , que son corregidas con datos climáticos obtenidos de PVGIS [29] La energía fotovoltaica producida se calcula teniendo en cuenta un rendimiento global del 19% en los dos estudios. Modelado geométrico En este estudio se toman como referencia tipologías de edificios de vivienda social en altura en Bogotá, analizando detalladamente las superficies de sus envolventes para comparar el potencial fotovoltaico que pueden ofrecer. Para evaluar dicho potencial, se parte de un modelo urbano 3D de las áreas de estudio, basado en la cartografía de Mapas Bogotá [31] , que cuenta con un nivel de detalle LOD 1.3 (ver figura 14). Este modelo sirve como base para realizar el análisis morfológico de las agrupaciones de vivienda y seleccionar las tipologías, como se muestra en los anexos. Figura 14. Niveles de detalle de edificios a escala urbana Fuente: Tomado de Biyik, E, et al., (2017) con edición propia . [1] Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 33 Para un análisis más preciso del potencial fotovoltaico de las envolventes, fue necesario modelar los elementos con un mayor nivel de detalle, alcanzando un LOD 3.2. Utilizando software CAD, y ante la ausencia de planimetría local detallada, se emplearon visualizaciones satelitales en 2D de Google Earth, escalándolas con la gráfica proporcionada en la misma imagen. Las fachadas y detalles se reconstruyeron en CAD a partir de capturas de pantalla a nivel peatonal desde Google Earth, redibujándolas en 2D y posteriormente modelándolas en 3D. El proceso de modelado en 3D consistió en extruir la volumetría en planta, alinear las geometrías 2D de las fachadas según la orientación del edificio, y extruir los vanos desde la geometría 2D hacia la volumetría. Posteriormente, mediante una vista en estructura alámbrica, se realizó un offset al interior de la volumetría, y finalmente, utilizando la herramienta de diferencia, se sustrajo la geometría restante, generando así los vanos en las fachadas. Una vez completado el modelo sin contexto, se exportó como archivo STL, y luego, replicando la referencia del modelo, se agregó el entorno de la tipología y se exportó también como STL para obtener una volumetría completa. La caracterización de las tipologías se realizó mediante un parámetro de escala del edificio, calculando las superficies verticales y horizontales en metros cuadrados según las orientaciones de un edificio seleccionado de la agrupación de vivienda, restando de estas superficies los vanos y accesos. Simulación de radiación directa recibida La simulación se llevó a cabo utilizando el software Heliodon 2 versión 2.7 [28] , una herramienta especializada en controlar aspectos energéticos y visuales de la radiación solar a escala urbana y arquitectónica, ideal para proyectos tanto académicos como profesionales. En este estudio, las simulaciones se realizaron para la ubicación específica de la ciudad de Bogotá (4° 36' N), donde el software calcula la radiación directa bajo condiciones de cielo despejado. Primero, se importó el modelo STL creado en AutoCAD, y en Heliodon se clasificaron las superficies de la envolvente según su orientación, considerando solo aquellas con un ancho mínimo de 1 m. Las superficies que no cumplían con este criterio se categorizaron como áreas residuales o no aprovechables y se guardaron en archivos STL independientes para facilitar la recopilación y comparación de datos de radiación según la orientación. Posteriormente, cada archivo fue importado a la ventana principal de Heliodon, configurando la simulación para calcular la radiación solar recibida a lo largo del año, utilizando una malla de 0,20 m. Las orientaciones de las superficies se nombraron según el ángulo de inclinación respecto al norte (0°) en el sentido de las agujas del reloj. Durante la simulación, se activaron las rejillas para realizar pruebas con y sin entorno, y los datos de radiación anual (kWh/año) se exportaron a hojas de cálculo de Excel. Estos datos fueron procesados considerando la superficie en m² para calcular la cantidad de energía recibida por unidad de superficie (kWh/m²). Para cada tipología fue simulada en Heliodon 2.6 sin y con entorno con la orientación real de los edificios y su entorno inmediato, pero sin incluir detalles sobre las obstrucciones causadas por la vegetación existente (ver figura 15 y 16). 34 Figura 15. Simulación realizada en Heliodon 2.6 de la tipología de barra sin entorno Fuente: Autoría propia. Figura 16. Simulación realizada en Heliodon 2.6 de la tipología de barra con entorno Fuente: Autoría propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 35 Cálculo de la producción FV La radiación global (kWh/m2) es la suma de dos componentes: radiación directa y radiación difusa. En este estudio se tiene en cuenta en primer medida la captación directa simulada en Heliodon y corregida con datos climáticos de PVGIS . La captación difusa fue obtenida a partir del factor de vista de cielo (SVF) de las superficies simulado desde Heliodon y corregido con datos climáticos de la radiación difusa obtenidos de PVGIS . Para ello se implementan las siguientes fórmulas: ● Para calcular la ‘’captación directa corregida’’ de cada tipología, se utilizó la siguiente fórmula: el coeficiente de conversión real se obtuvo dividiendo la energía anual promedio (kWh/año) de Heliodon por la radiación directa “real” promedio de 10 años proporcionada por PVGIS, basada en datos climáticos. Esto resultó en un coeficiente de conversión de 0,31. Captación directa corregida = Captación directa Heliodon * Coeficiente de conversión real* ● Al obtener el porcentaje de SVF de cada superficie, se multiplica por la radiación difusa (kWh/año) en el plano horizontal de los datos climáticos y luego se multiplica por el área de la superficie. Captación difusa real= SVF calculado en Heliodon * Rad. difusa horizontal * Área sup. ● La captación global real (kWh/año) es la suma entre la captación directa corregida y la difusa real. Captación global real = Captación directa corregida + Captación difusa real 36 Cálculo de la producción de energía FV (kWh/año) Una vez obtenidos los valores de la captación global real, se procede a calcular la producción de energía FV de las superficies. Para ello, se multiplica la captación solar global (kWh/año) por el rendimiento del sistema fotovoltaico. En este caso, se utilizó un valor promedio de referencia de 19% (ver en anexos). Produccion de energia FV= Captación global real * Rendimiento del sistema FV Cálculo de la cobertura del consumo energético (%) Para calcular la cobertura por superficie según la orientación, se toma el dato de la energía producida (kWh/año) y se divide sobre el consumo energético del edificio, para obtener este porcentaje. Porcentaje de cobertura = Energía producida / Consumo energético El consumo energético de cada edificio (kWh/año) se estimó a partir de los datos de la revista oficial estatal Semana . Según esta fuente, en Bogotá, el consumo eléctrico promedio anual por vivienda es de aproximadamente 130 kWh al mes, lo que equivale a unos 1560 kWh al año. Este nivel de consumo relativamente bajo se debe a que la ciudad tiene un clima templado, que no requiere calefacción ni aire acondicionado. Sin embargo, este valor puede variar dependiendo de factores como el tamaño de la vivienda, la cantidad de personas que la habitan, el tipo de electrodomésticos utilizados y los hábitos de consumo de energía de los residentes [23] . En la tabla 3 se muestra una posible distribución de consumos por aparatos realizada por la autora. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 37 Modelo de consumo energético residencial en la ciudad Tabla 3. Modelo de consumo energético promedio por vivienda en Bogotá en 2024 Fuente: Autoría propia. 38 3.3 ESTUDIO DE DETALLE DE LA CUBIERTA En esta etapa, se estudia más en profundidad el potencial fotovoltaico de las cubiertas de los edificios, las superficies en las que es más habitual la implementación de este tipo de sistemas y sobre las cuales el umbral de aprovechamiento es más óptimo como se puede evidenciar en la figura 17. El objetivo es obtener un valor más realista sobre el potencial FV de estas superficies. Con este análisis se busca conocer la superficie que debería ser cubierta por paneles (teniendo en cuenta sus características, dimensiones y separaciones reales) para cubrir por completo el consumo eléctrico anual a nivel del edificio. En caso de no ser posible, se determinará la cobertura máxima alcanzada. Este estudio se basa en simulaciones realizadas en el programa de diseño y cálculo online SolarEdge [30] , que permite obtener resultados de producción energética, cobertura de demanda, CO2 evitado anualmente, tiempos de amortización, entre otros, teniendo en cuenta las características del sistema y del clima donde se instala. En este estudio, los paneles seleccionados fueron del proveedor local Risen Energy Co . Ltd., utilizando el modelo de paneles monofásicos RSM 108-9-440N, que tiene una potencia de 0,44 kWh y dimensiones de 1,7 m x 1,1 m. El rendimiento de este panel es de 21% y el de las instalaciones en promedio es del 90%, lo que resulta en un rendimiento global de la instalación del 19% (21% x 90%). Estos paneles fueron instalados en la cubierta con una estantería empotrada, manteniendo una distancia de 30 cm entre filas y evitando las pérdidas por sombras (ver figura 17). El programa SolarEdge también facilita el diseño eléctrico de los inversores y optimizadores necesarios, ajustados a los detalles de cada modelo, lo que permite calcular el porcentaje de sobredimensionamiento total del sistema. Esto resulta en una lista detallada de los materiales necesarios para realizar el presupuesto, además de calcular los incentivos o ayudas estatales y los parámetros financieros de la inversión a lo largo de los años. Para ello, se modela en 3D el edificio de interés y su entorno más próximo. Para un análisis más detallado, se pueden consultar las fichas de simulación de cada tipología en los Anexos, donde se comparan el modelo de dimensionamiento de los paneles, la visión general del sistema, los resultados de la simulación, y la estimación mensual de energía en relación con la producción, consumo y autoconsumo (ver figura 18). Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 39 Figura 17. Ingreso de datos y dimensionamiento de los paneles FV en SolarEdge de la tipología de barra Fuente: Autoría propia. Figura 18. Resultado del proyecto FV en SolarEdge de la tipología de barra Fuente: Autoría propia. 40 CAPÍTULO IV - CASO DE ESTUDIO EL CLIMA DE BOGOTÁ RADIACIÓN SOLAR VIVIENDA SOCIAL EN BOGOTÁ SELECCIÓN DE BARRIOS Y TIPOLOGÍAS DESCRIPCIÓN DE LAS FICHAS DE LOS CASOS DE ESTUDIO Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 41 Figura 25. Tipos básicos de agrupación de vivienda social Fuente: Sergio Ballén, redibujado de autoría propia. [37] 48 4.4 SELECCIÓN DE BARRIOS Y TIPOLOGÍAS Para este estudio, se seleccionaron cinco casos de estudio basados en la clasificación previamente establecida. A continuación, se presentan y comparan los casos según el número de plantas, el año de construcción y el número de viviendas en total por el edificio, así como otros datos que caracterizan cada tipología (ver tabla 4). Tabla 4. Datos de los casos de estudio Fuente: Autoría propia. Cada uno de estos casos de estudio se analizará detalladamente, mostrando sus características principales, incluyendo la ubicación en la ciudad, un modelo 3D de la tipología principal sin contexto, información relevante, una vista satelital del barrio, y la ubicación de las áreas de estudio seleccionadas. Además, se analizará su contexto inmediato y se presentará una vista a escala peatonal de la fachada de cada edificio (ver figura 26, 27, 28, 29 y 30). Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 49 Figura 26. Caracterización de la tipología torre Figura 27. Caracterización de la tipología barra Fuente: Autoría propia 50 Figura 28 . Caracterización de la tipología bloque en cruz Figura 29. Caracterización de la tipología bloque claustro Fuente: Autoría propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 51 Figura 30. Caracterización de la tipología torre baja Figura 31. Caracterización de la tipología torre alta Fuente: Autoría propia. 52 4.5 DESCRIPCIÓN DE LAS FICHAS DE LOS CASOS DE ESTUDIO Para cada caso de estudio se realizaron cinco fichas para cada tipología (ver figura 32). La primera reúne las principales características del edificio, la segunda la captación de radiación solar directa, la tercera el factor de vista de cielo, la cuarta el análisis del potencial fotovoltaico y la quinta la simulación de la instalación fotovoltaica del edificio. (ver figuras 33, 34, 35, 36 y 37) En las siguientes páginas, se detalla el contenido de cada ficha y el compilado de todas ellas se encuentran en anexos 1. Figura 32. Resumen de las fichas de casos de estudio Fuente: Autoría propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 53 Figura 33. Parte 1. Descripción de la tipología Fuente: Autoría propia. 54 Figura 34. Parte 2. Captación radiación solar directa de la tipología Fuente: Autoría propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 55 Figura 35. Parte 3. Factor de vista de cielo de la tipología Fuente: Autoría propia. 56 Figura 36. Parte 4. Análisis del potencial FV de la tipología Fuente: Autoría propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 57 Tiempos de amortización de CO2 de fabricación El tiempo de amortización de CO2 de esta instalación es de aproximadamente 2,3 años. Este es el resultado de la división entre el CO2 de la fabricación de los 52 paneles el cuál es 36.400 kgCO2 (el promedio de CO2 generado por panel en el país de 700 kgCO2), sobre el CO2 evitado el cuál es 15.725 kgCO2 e/año (ver anexos). Tiempos de amortización en años de la instalación Finalmente, el tiempo de amortización económica de la instalación en Bogotá se estima en 8 años, considerando un costo total de €57.720 y un ahorro anual en energía de €7.176, lo que permite recuperar la inversión inicial dentro del primer ciclo de vida de los paneles. 64 5.2 TIPOLOGÍA BLOQUE EN CRUZ La tipología en bloque en cruz estudiada consiste en un edificio de 5 plantas con 4 viviendas por planta, con fachadas orientadas a sureste, suroeste, noroeste y noreste. Como se muestra en la figura 42, la tipología analizada (en gris oscuro) está rodeada en dos extremos de edificios del mismo tipo, en distintas posiciones. Figura 42. Fachada y modelo con entorno de la tipología bloque en cruz Fuente: Autoría propia. 5.2.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente En esta tipología, las fachadas son similares en área ya que cada una representa aproximadamente el 14% del área total de la envolvente del edificio, mientras que la cubierta abarca un 13%, lo que equivale a 222 m² (ver anexo 1). El potencial de producción de energía fotovoltaica utilizando toda el área aprovechable del edificio con entorno se estima en 146.650 kWh/año. La superficie con mayor potencial fotovoltaico es la cubierta, con una producción anual estimada de 70.455 kWh. En cuanto a las fachadas, la noreste y la sureste presentan un potencial significativo, alcanzando 22.989 kWh/año y 21.214 kWh/año, respectivamente (ver figura 43). Los resultados indican que utilizando únicamente la cubierta sería posible cubrir el 226% del consumo energético del edificio. Además, el potencial de las fachadas noreste y sureste permitiría cubrir el 74% y 68% del consumo, respectivamente. Al considerar la totalidad de la envolvente, se podría alcanzar un total de cobertura del 470%. Esto sugiere que la envolvente del edificio podría cubrir hasta cuatro veces su demanda energética anual, estimada en 31.200 kWh/año. De hecho, con menos de la mitad de la superficie de la cubierta sería suficiente para cubrir completamente la demanda energética del edificio, como se ilustra en la figura correspondiente. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 65 Figura 43. Producción de energía y porcentaje de cobertura tipología bloque en cruz con entorno Fuente: Autoría propia. Al comparar la producción de energía anual por metro cuadrado de cada superficie del edificio (ver figura 44), se evidencia que la cubierta es la más eficiente, con una producción de 318 kWh/m²año. Las fachadas, aunque menos eficientes, muestran valores relativamente uniformes, que oscilan entre 39 y 100 kWh/m² año. Figura 44. Producción de energía por orientación por m2 al año de la tipología bloque en cruz con entorno Fuente: Autoría propia. Huella de carbono evitada de acuerdo al consumo del edificio De acuerdo con el consumo energético del edificio y considerando que el Factor de Emisión (FE) de la red para proyectos solares en Colombia es de 0,5 kgCO2e/kWh anual, la huella de carbono evitada sería de 15.725 tCO2e/año. 66 5.2.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta En esta tipología, se han dimensionado 52 paneles solares (99 m²) utilizando SolarEdge similar al resultado de la tipología en barra, cubriendo el 45% de la superficie disponible en la cubierta del edificio. Estos paneles generan 32.580 kWh al año, lo que resulta en una significativa reducción de emisiones de CO2, estimada en 12,7 tCO2 e/año, equivalente a la plantación de 587 árboles por año, según los parámetros del programa (ver anexos). De acuerdo al análisis del perfil de consumo constante (patrón de consumo residencial), con una demanda energética de 31.200 kWh al año, se determina que el 47% de la energía generada se utiliza directamente para autoconsumo. El 53% restante se exporta a la red eléctrica o se almacena en baterías para su uso durante las horas nocturnas, asegurando un suministro continuo y eficiente de energía, como se evidencia (ver figura 45). Figura 45. Simulación fotovoltaica tipología en bloque en cruz Fuente: Elaboración propia a partir de SolarEdge. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 67 Tiempos de amortización de CO2 de fabricación El tiempo de amortización en términos de CO2 de esta instalación es de aproximadamente 2,3 años. Siendo el resultado de CO2 de la fabricación de los 52 paneles de 36.400 kgCO2 (el promedio de CO2 por panel es de 700 kgCO2) y el CO2 evitado es de 15.725 kgCO2e/año (ver anexos). Tiempos de amortización en años de la instalación Finalmente, el tiempo de amortización económica de la instalación en Bogotá se estima en 8 años, considerando un costo total de €57.720 y un ahorro anual en energía de €7.176, lo que permite recuperar la inversión inicial dentro del primer ciclo de vida de los paneles. 68 5.3 TIPOLOGÍA BLOQUE CLAUSTRO La tipología en bloque claustro estudiada consiste en un edificio de 5 plantas con 8 viviendas por planta, con una orientación de 47° norte con fachadas orientadas a sureste, suroeste, noroeste y noreste. Como se muestra en la figura 46, la tipología analizada (en gris oscuro) está rodeada en todas direcciones de edificios del mismo tipo, en distintas posiciones. Figura 46. Fachada y modelo con entorno de la tipología bloque claustro Fuente: Autoría propia. 5.3.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente En esta tipología, las fachadas son similares en área aprovechable entre 16 a 18% cada una, mientras que la cubierta abarca un 33%, lo que equivale a 2.323 m² (ver anexo 1). El potencial de producción de energía fotovoltaica utilizando toda el área aprovechable del edificio se estima en 36.6007 kWh/año. La superficie con mayor potencial fotovoltaico es la cubierta, con una producción anual estimada de 246.683 kWh. En cuanto a las fachadas, todas con una producción similar oscilan entre 20.062 a 38.120 kWh/año (ver figura 47). Los resultados indican que utilizando únicamente la cubierta sería posible cubrir el 395% del consumo energético del edificio. Además, el potencial de las fachadas oscila entre el 32 al 61% del consumo, respectivamente. Al considerar la totalidad de la envolvente, se podría alcanzar un total de cobertura del 587%. Esto sugiere que la envolvente del edificio podría cubrir hasta casi cuatro veces su demanda energética anual, estimada en 62.400 kWh/año. De hecho, con menos de la mitad de la superficie de la cubierta sería suficiente para cubrir completamente la demanda energética del edificio, como se ilustra en la figura correspondiente. Figura 47. Producción de energía y porcentaje de cobertura tipología bloque claustro con entorno Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 69 Fuente: Autoría propia. Al comparar la producción de energía anual por metro cuadrado de cada superficie del edificio (ver figura 48), se evidencia que la cubierta es la más eficiente, con una producción de 318 kWh/m²año. Las fachadas, aunque menos eficientes, muestran valores relativamente uniformes, que oscilan entre 56 y 92 kWh/m² año. Figura 48. Producción de energía por orientación por m2 anual, tipología bloque claustro con entorno Fuente: Autoría propia. Huella de carbono evitada de acuerdo al consumo del edificio De acuerdo con el consumo energético del edificio y considerando que el Factor de Emisión (FE) de la red para proyectos solares en Colombia es de 0.504 kgCO2e/kWh anual, la huella de carbono evitada sería de 31.450 kgCO2e/año. 70 5.3.2 Análisis en detalle del potencial fotovoltaico de la cubierta En esta tipología, se han dimensionado 99 paneles solares (188 m²) utilizando SolarEdge , cubriendo el 24% de la superficie disponible en la cubierta del edificio. Estos paneles generan 63.710 kWh al año, lo que resulta en una significativa reducción de emisiones de CO2, estimada en 25 toneladas anuales, equivalente a la plantación de 1.147 árboles por año, según los parámetros del programa (ver anexos). De acuerdo al análisis del perfil de consumo constante (patrón de consumo residencial), con una demanda energética de 62.400 kWh al año, se determina que el 47% de la energía generada se utiliza directamente para autoconsumo. El 53% restante se exporta a la red eléctrica o se almacena en baterías para su uso durante las horas nocturnas, asegurando un suministro continuo y eficiente de energía, como se evidencia (ver figura 49). Figura 49. Simulación fotovoltaica tipología en bloque claustro Fuente: Elaboración propia a partir de SolarEdge. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 71 Tiempos de amortización de CO2 de fabricación El tiempo de amortización en términos de CO2 de esta instalación es de aproximadamente 2,2 años. Siendo el resultado de CO2 de la fabricación de los 99 paneles el cual es 69.300 kgCO2 (el promedio de CO2 por panel es de 700 kgCO2) y el CO2 evitado es de 31.450 kgCO2e/año (ver anexos). Tiempos de amortización en años de la instalación Finalmente, el tiempo de amortización económica de la instalación en Bogotá se estima en 8 años, considerando un costo total de €115.440 y un ahorro anual del costo de energía de €14.352, lo que permite recuperar la inversión inicial dentro del primer ciclo de vida de los paneles. 72 5.4 TIPOLOGÍA TORRE BAJA La tipología torre baja estudiada consiste en un edificio de 10 plantas con 4 viviendas por planta, con una orientación de 5° norte con fachadas orientadas a sur, este, oeste y norte. Como se muestra en la figura 50, la tipología analizada (en gris oscuro) está rodeada en todas direcciones de edificios del mismo tipo, en distintas posiciones. Figura 50. Fachada y modelo con entorno de la tipología torre baja Fuente: Autoría propia. 5.4.1 Análisis del potencial fotovoltaico global de la envolvente En esta tipología, las fachadas sur y norte son similares en área aprovechable del 30% cada una, las oeste y este entre el 12% cada una, mientras que la cubierta abarca un 16%, lo que equivale a 405 m² (ver anexo 1). El potencial de producción de energía fotovoltaica utilizando toda el área aprovechable del edificio se estima en 247.564 kWh/año. La superficie con mayor potencial fotovoltaico es la cubierta, con una producción anual estimada de 81.830 kWh. En cuanto a las fachadas, la sur y la norte con una producción similar que oscilan entre 49.639 a 53.366 kWh/año y la oeste y este con una producción menor. (ver figura 51). Los resultados indican que utilizando únicamente la cubierta sería posible cubrir el 131% del consumo energético del edificio. Además, el potencial de las fachadas sur y norte oscila entre el 80 al 86% del consumo, mientras que la oeste y este entre el 50% cada una. Al considerar la totalidad de la envolvente, se podría alcanzar un total de cobertura del 397%. Esto sugiere que la envolvente del edificio podría cubrir hasta casi cuatro veces su demanda energética anual, estimada en 62.400 kWh/año. De hecho, con la superficie de la cubierta sería suficiente para cubrir completamente la demanda energética del edificio, como se ilustra en la figura correspondiente. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 73 Tiempos de amortización de CO2 de fabricación El tiempo de amortización en términos de CO2 de esta instalación es de aproximadamente 1,3 años. Siendo el resultado de CO2 de la fabricación de los 119 paneles de 83.300 kgCO2 (el promedio de CO2 por panel es de 700 kgCO2) y el CO2 evitado es de 66.044 kgCO2e/año (ver anexos). Tiempos de amortización en años de la instalación Finalmente, el tiempo de amortización económica de la instalación en Bogotá se estima en 8 años, considerando un costo total de €242.424 y un ahorro anual en energía de €30.139, lo que permite recuperar la inversión inicial dentro del primer ciclo de vida de los paneles. 80 CAPÍTULO VI - RESULTADOS PORCENTAJE DE COBERTURA EN LA CUBIERTA PRODUCCIÓN CALCULADA Y SIMULADA VS CONSUMO HUELLA DE CARBONO EVITADA POR TIPOLOGÍA AMORTIZACIÓN DE TIEMPO DE CO2 Y DE LA INVERSIÓN Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 81 6.1 PORCENTAJE DE COBERTURA EN LA CUBIERTA A continuación, se presenta un resumen de los resultados obtenidos en el análisis comparativo de diferentes tipologías de vivienda social en altura en cuanto a porcentaje de cobertura con respecto al consumo energético, la producción de energía FV en relación al consumo, la huella de carbono evitada y el tiempo de amortización. Primero, se comparó el porcentaje de cobertura ‘’teórico’’ (es decir sí toda la superficie fuera aprovechable) en el plano horizontal de cada caso, tomando como base un umbral de aprovechamiento óptimo (525 kWh/m2año) y un rendimiento alto de los paneles fotovoltaicos (FV) del 19% en relación al consumo energético. Los resultados obtenidos son los siguientes: - Tipología barra (20 viviendas): Consumo de 31.200 kWh, con un porcentaje de cobertura en la cubierta del 419%. - Bloque en cruz (20 viviendas): Consumo de 31.200 kWh, con una cobertura del 226%. - Bloque-claustro (40 viviendas): Consumo de 62.400 kWh, con una cobertura del 395%. - Torre baja (40 viviendas): Consumo de 62.400 kWh, con una cobertura del 131%. - Torre alta (84 viviendas): Consumo de 131.040 kWh, con una cobertura del 126%. Estos resultados indican que respecto al porcentaje de rendimiento de los paneles FV y sí el porcentaje de área aprovechable en el plano horizontal es menor al 10%, como en la tipología de torre, el porcentaje de cobertura es bajo respecto a los demás y requiere de superficies verticales para obtener el porcentaje de cobertura suficiente. Por el contrario, en tipologías con alturas entre 5 y 10 plantas, donde el área aprovechable supera el 10%, se puede alcanzar un alto porcentaje de cobertura. En particular, en las tipologías de barra y bloque-claustro, con un área aprovechable entre el 25% y el 33%, se puede incluso cuadruplicar el porcentaje de cobertura, como se evidencia en el siguiente gráfico. Figura 58. Comparativa entre el porcentaje de cobertura ‘’teórico’’ en cubierta por tipología Fuente: Autoría propia. 82 6.2 PRODUCCIÓN ENERGÉTICA SIMULADA VS AUTOCONSUMO Las simulaciones realizadas en SolarEdge muestran que la producción de energía es similar entre las distintas tipologías de edificios en la cubierta, excepto en la torre alta, donde la producción es inferior al consumo. En promedio para el autoconsumo, el 47% de la energía generada se aprovecha durante las horas diurnas, mientras que el 53% se importa o exporta a la red eléctrica o se almacena en baterías. Sin embargo, se evidencia que en la torre alta la mayor parte de la energía producida es auto consumida en horas diurnas hasta un 82%, y por tanto no cuenta con suficiente energía para almacenar en horarios nocturnos, evidenciando que requiere de otras áreas en superficie vertical para cubrir el consumo energético del edificio (ver figura 59). Figura 59. Comparativa entre producción calculado y simulado vs consumo Fuente: Autoría propia. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 83 6.3 HUELLA DE CARBONO EVITADA POR TIPOLOGÍA Posteriormente, se comparó la huella de carbono evitada por tipología, calculada manualmente en función de la cobertura del consumo ‘’valor teórico’’ y a través de las simulaciones de SolarEdge con valores aproximados a los reales. Los resultados muestran similitudes en la disminución de CO2 evitado entre ambos métodos, excepto en la tipología de torre, donde el menor porcentaje de área en la cubierta en comparación con la altura, el número de viviendas y el consumo energético. El área aprovechable en la tipología de torre no es suficiente para instalar el número de paneles solares necesarios para satisfacer el consumo y por tanto el valor de la huella de carbono evitada es menor, ya que hacen falta paneles en el cálculo ‘’real’’ (ver figura 60). Figura 60. Comparativa entre la huella de carbono evitada por tipología Fuente: Autoría propia. 84 6.4 AMORTIZACIÓN DE CO2 Y FINANCIERA El tiempo promedio de amortización de CO2 para los sistemas fotovoltaicos de las cinco tipologías estudiadas es de aproximadamente 2 años. Esto corresponde a las emisiones iniciales generadas por la fabricación y transporte de los paneles, de 56.840 kgCO₂, compensadas por el CO₂ ahorrado de 32.078 kgCO₂ al autoproducir la energía requerida durante el ciclo de vida útil del sistema. Asimismo, se estima que las emisiones adicionales asociadas al proceso de reciclaje o sustitución al final del ciclo de vida alcanzan los 3.640 kgCO₂ (valor estimado en 2025), lo que permite integrar el concepto de economía circular en futuros ciclos (ver figura 61). Figura 61. Amortización de CO2 de las instalaciones en el ciclo de vida útil Fuente: Autoría propia. En términos económicos, el tiempo de amortización financiera de la instalación fotovoltaica se estima en 8 años, considerando los precios actuales de 2025 para el costo por kWh de energía y de la instalación fotovoltaica en Bogotá (ver anexos). Esto implica que, tras este periodo, la inversión inicial sería recuperada, y la energía generada posteriormente representaría un ahorro neto, con variaciones según el tipo de sistema fotovoltaico implementado (conectado a red, autónomo o híbrido). Estos resultados evidencian tanto el impacto positivo de los sistemas fotovoltaicos como un medio para descarbonizar el sistema energético. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 85 CAPÍTULO VII - CONCLUSIONES FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 86 CONCLUSIONES A partir de los resultados obtenidos en este estudio, cuyo objetivo fue comparar el potencial fotovoltaico entre diferentes tipologías de viviendas sociales en altura en Bogotá y evaluar la viabilidad de integrar sistemas fotovoltaicos (BAPV) como estrategia para descarbonizar el sistema energético de la ciudad, se han extraído las siguientes conclusiones: - Área aprovechable y producción de energía: En tipologías de torre, donde el área aprovechable ‘’teórica’’ en el plano horizontal es inferior al 10% del total, la instalación fotovoltaica (FV) puede no ser suficiente para cubrir el consumo energético del edificio y requeriría de otra área aprovechable preferiblemente en la fachada este-oeste. Sin embargo, en tipologías con alturas entre 5 y 10 plantas (20 y 40 viviendas), si el área aprovechable en cubierta supera el 10% del total, permitiendo alcanzar un alto porcentaje de cobertura, como en los casos de la barra y bloque claustro, con un área mayor al 25% y el 33%, se puede llegar incluso a cuadruplicar el porcentaje de cobertura ‘’teórico’’ necesario. - Producción de energía vs autoconsumo: La simulación de la producción energética fotovoltaica en la mayoría de las tipologías (a excepción de la torre alta), evidencia que la producción FV es suficiente para cubrir el consumo total, con un porcentaje de autoconsumo diurno del 47%. Esto sugiere que, para la mayoría de las tipologías, la instalación BAPV es una estrategia viable para alcanzar la autosuficiencia energética durante las horas diurnas. Sin embargo, en el caso de la torre alta, esta puede llegar a autoconsumir en horario diurno más del 80% de la producción energética. - Huella de Carbono Evitada: De acuerdo a las simulaciones de las instalaciones fotovoltaicas en cubierta, todas las tipologías pueden llegar a evitar entre 13 a 29 tCO2e/año de las emisiones de la energía convencional. Sin embargo, en la tipología de torre no logra reducir el 100% de las emisiones, ya que en el caso de la instalación FV en cubierta no es suficiente para cubrir el consumo energético y presenta mayores retos energéticos. - Tiempo de amortización de CO2 y financiera: El tiempo de amortización de CO2 de los sistemas BAPV es de 2 años promedio en todos los casos, con una vida útil de 25 años con la consideración del proceso de economía circular. En cuanto a la amortización financiera, se estima que en 2025 el periodo será de aproximadamente 8 años. A partir de este punto, la energía generada por la instalación representará un ahorro neto. Este estudio destaca la necesidad de avanzar en la legalización e inversión en sistemas de generación de energía renovable, como la energía fotovoltaica, en Colombia. Aunque enfrenta desafíos y requiere la consolidación de un sistema confiable de economía circular para su desarrollo y el de otras fuentes renovables, la energía fotovoltaica ofrece un gran potencial energético y una huella ambiental significativamente menor en comparación con las fuentes Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 87 convencionales. Sin embargo, el reto no solo radica en la transición hacia un modelo energético más sostenible, sino también en la adopción de una sobriedad energética en el sistema actual. Esto implica el compromiso de descarbonizar la arquitectura mediante la reducción del uso de sistemas de climatización mecánica, la transición de fuentes de gas a energía eléctrica, la disminución de la huella de carbono en la construcción con materiales locales y sostenibles, así como la remodelación del sector residencial para mejorar la eficiencia energética y cerrar el ciclo de los materiales. Todo esto debe orientarse hacia un modelo resiliente que minimice los residuos y fomente alternativas más sostenibles. En conclusión, la integración de sistemas fotovoltaicos en viviendas sociales en altura es una estrategia viable para Bogotá, con beneficios significativos a distintas escalas, contribuyendo a la descarbonización del sector residencial. No obstante, su implementación requiere un enfoque integral que considere las particularidades de cada tipología de edificación y fomente políticas que faciliten su adopción, maximicen su eficiencia y aseguren su sostenibilidad a largo plazo. 88 Futuras líneas de investigación Esta investigación puede dar paso a futuras líneas sobre sistemas fotovoltaicos en viviendas de alta densidad en diferentes latitudes, tanto en el sector residencial como en otros sectores. - Aunque en este estudio se centró en sistemas adosados (BAPV), futuras investigaciones podrían explorar sistemas integrados (BIPV), en especial los sistemas térmico-fotovoltaicos (BIPVT), ya que estos otros dos sistemas son más eficientes desde la etapa inicial del diseño de las edificaciones y a lo largo de su ciclo de vida, ofreciendo un mayor potencial para reducir las emisiones de CO2. - En este trabajo se realizó un estudio detallado utilizando modelos geométricos con un alto nivel de detalle, en contraste con los análisis fotovoltaicos típicamente realizados a escala urbana. No obstante, no se consideró la vegetación, un factor que puede influir en el potencial de captación solar de los edificios, especialmente en las fachadas. Incluir este aspecto en futuros estudios sería valioso para obtener resultados más precisos. - Este estudio analizó cinco tipologías representativas de edificios sociales en altura, con diferentes números de plantas. Sería interesante llevar a cabo un análisis más profundo sobre la representatividad de estas tipologías, evaluando la morfología del parque de vivienda social para obtener una estimación más realista del potencial fotovoltaico a escala urbana. Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 89 ANEXO 1. Fichas de la tipología en barra 96 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 97 98 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 99 100 ANEXO 2. Fichas de la tipología en bloque en cruz Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 101 102 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 103 104 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 105 112 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 113 114 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 115 ANEXO 5. Fichas de la tipología torre alta 116 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 117 118 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 119 120 ANEXO 6. Estudio de tipologías Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 121 ANEXO 12. Cálculos de excel tipología en bloque claustro SIN CONTEXTO CON CONTEXTO RESULTADOS 128 ANEXO 13. Cálculos de excel tipología torre baja SIN CONTEXTO Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 129 CON CONTEXTO RESULTADOS 130 ANEXO 14. Cálculos de excel tipología torre alta SIN CONTEXTO Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 131 CON CONTEXTO RESULTADOS 132 Potencial fotovoltaico de la envolvente en la vivienda social en altura en Bogotá 133 Autora de tesina: Diana Ramirez Directora TFM: Dra. Elena García Programa: Estudios avanzados de arquitectura Especialidad: Arquitectura, Energía y Medio Ambiente Ciudad y año: Barcelona, 2025 134