Un examen del diseño de una unidad de vivienda prefabricada en Chipre en términos de energía, iluminación natural y coste.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12611 (2023) Citar este artículo

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La prefabricación de viviendas surgió como una solución de ahorro de energía y costos, que también puede vincularse a la reducción de los impactos ambientales, así como al desarrollo de prácticas de construcción ecológica. En la primera parte de este estudio, se presenta una revisión exhaustiva de la literatura sobre los métodos de ensamblaje prefabricado y su potencial inherente, tanto en términos de diseño como de construcción. También se consideran estrategias de diseño que incorporan la integración de sistemas ambientales. Se incluye una clasificación y taxonomía de arquetipos, basada en principios de diseño clave relacionados con el diseño ambiental. Con base en las conclusiones extraídas de la evaluación de estas consideraciones, este artículo revisa el ámbito de las técnicas de diseño y construcción utilizadas en unidades de vivienda prefabricadas energéticamente eficientes y ambientalmente compatibles en un contexto chipriota. Se proponen estrategias de ahorro de costos, así como recomendaciones de diseño arquitectónico y fabricación. En consecuencia, la investigación pretende contribuir a la literatura existente extrayendo resultados de un proyecto de demostración real en Chipre. Continúa describiendo las consideraciones que afectan la parte inicial de los procesos de diseño y construcción basándose en criterios para una prefabricación eficiente y una construcción modular. A continuación, los resultados se relacionan con simulaciones de rendimiento energético y de iluminación natural complementadas con un análisis tecnoeconómico, con el objetivo de demostrar la viabilidad de esta empresa. De esta manera, se espera que las partes interesadas que estén considerando la adopción de este enfoque de diseño y construcción puedan tomar decisiones mejor informadas y más apropiadas.

La prefabricación en viviendas implica la fabricación de componentes de construcción en una instalación de producción en lugar de en un sitio real, y luego el transporte a un lote determinado para su montaje1,2,3. En el caso de la construcción tradicional, algunos de los componentes del edificio son productos manufacturados, como ciertas particiones, techos o piezas del suelo, mientras que las llamadas casas prefabricadas tienden a incluir componentes de construcción más grandes, como paneles de pared o componentes completos de la vivienda amurallados en volúmenes de habitaciones. Otros módulos que se construyen enteros pueden tener un uso específico, como baños o cocinas. Sin embargo, en otros casos, casas enteras se fabrican en patios de ensamblaje de fábricas antes de ser transportadas al sitio de construcción y conectadas a los servicios para que funcionen instantáneamente4.

Los historiadores de la arquitectura en Estados Unidos fechan la prefabricación de viviendas y el transporte de componentes en ese contexto hace casi cuatrocientos años y hasta el envío de componentes de viviendas con paneles de madera a Cape Ann en Massachusetts en la década de 1620, para proporcionar refugio a los pescadores de la zona5. Al mismo tiempo, se introdujeron técnicas similares para la construcción rápida de cabañas de madera al otro lado del Océano Atlántico, en Suecia. Otros ejemplos similares vieron el comienzo de la producción de kits de piezas para viviendas que podían embalarse y enviarse en carga estandarizada a bordo de vagones, barcos, trenes, automóviles y, finalmente, aviones5.

Esta experimentación con viviendas sistematizadas y transportables culminó a principios del siglo XX con las casas prefabricadas de Sears Roebuck que podían seleccionarse de los catálogos adquiridos por los suscriptores de la empresa a partir de 19086. Esta práctica resultó de interés para varias personalidades arquitectónicas conocidas. como Le Corbusier, Walter Gropius, Frank Lloyd Wright, Jean Prouvé y Paul Rudolph, entre otros, que desentrañaron el problema de la escasez de vivienda. Esto fue especialmente cierto después de la Segunda Guerra Mundial, donde el uso innovador de esta técnica de producción de viviendas en evolución tuvo un amplio uso, a pesar de las críticas recibidas en los años siguientes por parte de usuarios que buscaban individualidad y libertad de elección7.

La producción de viviendas a escala industrial ha sido una preocupación para los constructores y fabricantes desde mediados del siglo XIX; y los inicios de la revolución industrial. Con la llegada de la línea de montaje, varios arquitectos e ingenieros intentaron abordar el problema de la escasez de viviendas introduciendo la producción en masa de componentes de viviendas7,8. Un ejemplo de tal intento fue la Casa Dymaxion9 de Buckminster Fuller. La tecnología utilizada se basó en encajar varios grupos de distintos componentes de construcción en subconjuntos que constituyen partes de estructuras modulares más grandes, como conjuntos de puertas, ventanas o paredes. Las técnicas de línea de montaje, como se utilizan en otras industrias, pueden luego producirse y ensamblarse para formar unidades prefabricadas enteras, que pueden transportarse al sitio y ensamblarse allí sobre cimientos más permanentes7.

La evolución de la tipología a finales del siglo XX y principios del XXI ha visto la personalización y la flexibilidad espacial como requisitos importantes relacionados con las técnicas de línea de montaje. Estos, a su vez, se han visto aumentados por la introducción y el uso más amplio de procesos de diseño y fabricación asistidos por computadora, que permiten a los diseñadores, constructores e incluso a los usuarios configurar un mayor número de opciones y permutaciones de la estructura modular básica. Si bien esto facilita aún más las economías de escala, al participar en la producción de mayores cantidades de componentes repetitivos de manera más económica, también aborda aspectos de la producción cultural y contribuye a la narrativa de la producción en masa, al presentar a los clientes como parte del equipo de partes interesadas en la línea de montaje y como cogeneradores en el proceso de diseño10.

Las investigaciones también han demostrado que los sistemas prefabricados pueden reducir el tiempo de construcción y los costos de mano de obra11, lo que eventualmente resultará en ahorros de costos12. Sin embargo, también se ha sugerido que su costo inicial puede ser mayor que el de los métodos de construcción tradicionales debido a la necesidad de fabricación y transporte especializados de los componentes del edificio11,13,14.

La literatura también aborda las consideraciones de energía, iluminación natural y costos que pueden ayudar a identificar beneficios adicionales, pero también limitaciones de estos sistemas15,16,17. Se ha demostrado que los sistemas de viviendas prefabricadas pueden mejorar la eficiencia energética al reducir la infiltración de aire y la pérdida de calor, así como al incorporar aislamiento y envolventes herméticas al aire18. Además, los sistemas prefabricados pueden diseñarse con características solares pasivas para mejorar no sólo el rendimiento energético, sino también la provisión de luz natural19. La optimización de la penetración de la luz natural puede mejorar el confort visual interior y reducir la necesidad de iluminación artificial20. Esto se apoya en la capacidad de transformación de los sistemas prefabricados, que facilita la incorporación de componentes arquitectónicos como lucernarios, triforios y estanterías luminosas21.

En consecuencia, podemos asumir con seguridad que una consideración cuidadosa de los atributos de diseño específicos inherentes a los edificios prefabricados puede garantizar la eficacia y rentabilidad de los sistemas de construcción. Por lo tanto, la investigación actual da un primer paso en la identificación de mejores prácticas y estrategias de diseño óptimas para la evolución de sistemas de viviendas prefabricadas que podrían servir al contexto de desarrollo de viviendas chipriota y quizás por extensión en el Mediterráneo oriental.

La prefabricación, en el contexto de la producción de viviendas, tiende a implicar el desarrollo de módulos o sistemas constructivos que son resultado de procedimientos industrializados22. También se suele hacer referencia al empleo de métodos más recientes y contemporáneos de fabricación (en una línea de fábrica), transporte (al sitio) y ensamblaje (in situ)23. En este marco de investigación, este artículo propondrá una taxonomía de esta tipología de construcción, examinando principalmente la prefabricación con paneles junto con un kit de piezas que utiliza componentes metálicos. Además, se realizará una comparación entre la prefabricación y la construcción de edificios convencionales utilizando materiales alternativos para el revestimiento24.

Los principios de la prefabricación también se ven en un contexto de diseño más amplio en el que se buscan eficiencias para mejorar el desempeño ambiental y el ciclo de vida de las estructuras prefabricadas, desde el montaje hasta el desmontaje o incluso la demolición25,26. La personalización y la flexibilidad de uso también se han considerado ventajosas, y los paneles se elogian por su capacidad para abordar aspectos del rendimiento del aislamiento como resultado de técnicas de fabricación cada vez más precisas. Cuando se combinan con un monitoreo inteligente de la comodidad del usuario, estos sistemas pueden mejorar la calidad de ocupación del usuario, al tiempo que reducen la demanda de energía y los costos de energía para el hogar27,28,29. Otros factores que intervienen en la historia de las viviendas prefabricadas, pero que no se tratarán directamente en este artículo, pueden incluir aspectos de: i. gestión de residuos (tanto durante el proceso de fabricación de los distintos componentes de la vivienda como al final del ciclo de vida útil de la estructura prefabricada)30,31, ii. reducción del tiempo de construcción en el sitio gracias a la facilidad de montaje y, por último, pero no menos importante, iii. el potencial para minimizar las perturbaciones en la vida cotidiana de una comunidad asociadas con la suciedad y el ruido de una obra de construcción27.

Este artículo analiza el desafío que enfrentan estas localidades que pueden ser más remotas y alejadas de los centros tradicionales de investigación y producción industrial de prefabricación en Suecia, Alemania, los Países Bajos o incluso Japón, más lejos, que cuentan con industrias artesanales altamente desarrolladas.

La premisa en Chipre, situada a su vez en la cuenca levantina del Mediterráneo oriental, ha sido un proyecto de demostración para abordar precisamente esos desafíos. La iniciativa surgió como una propuesta para albergar esta reciente afluencia de poblaciones transitorias convertidas en más permanentes, que huyen de la guerra, la pobreza y los desastres naturales, principalmente en este caso desde Medio Oriente y más lejos, y también desde África. A la mayoría de estas personas les gustaría abrirse camino hacia lo que perciben como el continente europeo más próspero y políticamente estable a través de naciones de entrada como Chipre. Sin embargo, los cierres de fronteras en Europa continental han obligado a muchos de ellos a permanecer en lo que a menudo se denomina “centros de bienvenida” y no pueden desplazarse a sus destinos deseados.

Como consecuencia, los conocimientos locales en la prefabricación de viviendas masivas deben evolucionar rápidamente, adaptando las mejores prácticas de las naciones industrializadas más avanzadas y considerando el estado del arte local si se quieren cumplir parámetros como la eficiencia, la facilidad y la velocidad de montaje. , para sacar a estas personas de las tiendas de campaña y trasladarlas a viviendas más permanentes32,33.

Al hacerlo, esta investigación destaca circunstancias que pueden variar de las de las naciones de Europa continental y estar más relacionadas con sus cadenas de islas o con los países insulares más pequeños de la región. La información y los datos recopilados y utilizados se centran más en la dinámica local y en el examen de datos empíricos de un pequeño país insular34,35. Como tal, abordar el desafío de albergar a las personas en tiempos de crisis de manera apropiada, decente, segura, oportuna y económica puede ser relevante y, de hecho, puede encontrar resonancia con otros lugares de escala similar, condiciones climáticas similares y Se deben cumplir niveles similares de capacidad de prefabricación industrial, ciertamente en todo el Mediterráneo, pero también en otros lugares.

Además de la cuestión de la evolución de la prefabricación de viviendas, el sector de la construcción en SEMENA (región del Sudeste de Europa, Oriente Medio y Norte de África) también tiene que hacer frente a una demanda energética cada vez mayor, sin duda en la década de 202036. Cabe mencionar que, tanto el Banco Mundial como la Agencia Internacional de Energía (AIE) han procedido a estimar que se espera que las demandas energéticas previstas de los países en desarrollo se dupliquen en los próximos 40 años37. Este es el resultado de una intensa urbanización y un crecimiento de la población local en un rango que oscila entre el 2% y el 6%, según ONU Hábitat, aumentado por la afluencia de migrantes económicos y políticos, solicitantes de asilo y refugiados (ONU38).

El debate sobre la producción de viviendas sostenibles no es reciente y ya lleva algunos años, especialmente en forma de edificios de energía neta cero o NZEB, como lo señalaron y debatieron varios investigadores39,40,41. 42. Sin embargo, las investigaciones regionales que consideran las emergencias contemporáneas que han creado una nueva urgencia que busca aprovechar al máximo la combinación de las ventajas de la prefabricación con la construcción de sistemas energéticos integrados –en este caso, solar– no son exhaustivas ni definitivas28,29,43,44

También se ha observado que cualquier proyecto de este tipo que pase por un proceso de evaluación de diseño energético y ambiental, como LEED, genera una prima de costo de alrededor del 10% con respecto a los costos de construcción45, mientras que una opinión contraria señala que los ahorros de energía en el rango Del 30% al 55% se deben a unidades prefabricadas, en comparación con los edificios convencionales46. Se argumenta que esto es posible si se consideran los gastos operativos a lo largo del tiempo (en el ciclo de vida del edificio) y como resultado de estructuras más eficientes energéticamente. Además, al evaluar dichas tipologías se deben considerar otros beneficios no relacionados con los costos asignados a los edificios “verdes”47. Uno de esos beneficios tiene que ver con el confort de los habitantes, que puede resultar de la optimización de la regulación de la ecuación dinámica que controla los valores de temperatura y humedad48,49,50 y que tiene importantes atributos relacionados con la alta calidad ambiental interior (IEQ). 47,51.

Las autoridades de vivienda, que han adoptado y muestran preferencia por la utilización de técnicas de prefabricación, han informado que el preensamblaje en la línea de producción (dado el uso extensivo de las mismas plantillas y moldes, esencialmente sin modificaciones y sin modificaciones indebidas) conduce no sólo a una mayor eficiencia en construcción, sino también un mayor control de calidad y una mejor mano de obra52. Los componentes típicos en este marco han incluido hasta ahora componentes de construcción como pisos y techos, parapetos de techo, tabiques y paneles de fachada, así como componentes de circulación vertical como escaleras y módulos especializados como cocinas y baños con tanques de agua adjuntos.

Otros informes, de fuentes similares, incluyen el tratamiento de cuestiones de control de calidad en el sitio y también aspectos relacionados con la edificabilidad y la eficiencia antes y después de la ocupación, en términos de utilización de energía y gestión de residuos. Otro desafío es garantizar un entorno más ágil y limpio para la mayoría de los sectores de la construcción involucrados en el sitio, como resultado de la elección de este método de construcción53. En algunas localidades, como Singapur, se ha logrado por primera vez la introducción de directrices y sistemas de puntuación que cuantifican la edificabilidad bajo el Buildable Design Appraisal System (BDAS) al evaluar desarrollos de esta tipología53,54. Sin embargo, otros estudios empíricos que respaldan esta observación indican una correlación significativa entre la edificabilidad y las eficiencias antes mencionadas en la producción de viviendas y el control de calidad, especialmente cuando los clientes asumen roles clave en la adopción e implementación de tecnología de prefabricación que a su vez impulsan la innovación en el sector de la construcción1,2.

En Chipre, la industria de la construcción prefabricada se encuentra todavía en una etapa temprana de desarrollo, lo que lleva a que las estructuras de viviendas prefabricadas generalmente se construyan con materiales de bajo costo y métodos de construcción convencionales. Las propias unidades se utilizan principalmente como estructuras secundarias o auxiliares27,55. Durante la grave crisis económica de la última década que también afectó a Chipre, el interés por las casas prefabricadas aumentó, principalmente debido al bajo coste de este tipo de estructuras en comparación con lo que ofrece la construcción convencional.

Esta tendencia persiste incluso después de una recuperación de la economía, pero lamentablemente sin mejoras significativas en la producción27. Michael et al.55 llevaron a cabo una encuesta basada en datos obtenidos mediante cuestionarios cumplimentados por empresas dedicadas exclusivamente a la prefabricación de edificios. Las preguntas se relacionan con el número promedio de ventas, el tipo/uso preferido de construcción, el costo y el tiempo de entrega requerido, así como el tamaño preferido de las unidades para los años 2011-2014. Se observa que el uso dominante fue el de oficinas y edificios auxiliares, mientras que la vivienda ocupó el tercer lugar.

En el sector vivienda, la evaluación de los cuestionarios reveló que en 2011 cada empresa procedió a la construcción de un promedio de 17 viviendas permanentes u ocasionales, un promedio de 12 en 2012, un promedio de 9 en 2013 y un promedio de 10 en 2014. La diferenciación observada en las cifras de ventas para el período de 2012 a 2014, en comparación con 2011, refleja el período general de la crisis económica en Chipre55.

El coste medio y el plazo de entrega de las 165 unidades prefabricadas son de 560 euros por m2 y 5,5 semanas respectivamente para las casas permanentes, 490 euros por m2 y 5 semanas para las casas de vacaciones, 350 euros por m2 y 3,5 semanas para oficinas y 300 euros por m2 y 3 semanas para almacenes y edificaciones auxiliares. El tamaño preferido de las unidades de vivienda prefabricadas por los compradores chipriotas es de aproximadamente 50 a 75 m2 por unidad de vivienda, seguido de una preferencia por unidades de vivienda en el rango de 75 a 100 m2. Después de esta encuesta, el trabajo de investigación adicional se centró en los parámetros de diseño, fabricación y ensamblaje de una unidad de vivienda autónoma, modular y espacialmente flexible. La unidad se adhiere a los principios de prefabricación y ofrece una alternativa mejorada a lo que la industria local ofrece actualmente en Chipre, que muestra similitudes con los desafíos que enfrentan otras islas del Mediterráneo o cadenas de islas que enfrentan problemas similares.

El caso en cuestión considera la facilidad de implementación operativa, el rendimiento en términos de ahorro de energía y la rentabilidad general en la producción de una unidad que no sólo puede abordar las necesidades inmediatas de suministro de vivienda, sino también permitir una calidad de construcción que pueda garantizar un ciclo de vida más largo de una sola unidad o de un grupo de unidades en una aglomeración de viviendas56,57,58. Se ha utilizado una variación de un enfoque de análisis integrado multicriterio para tener en cuenta los parámetros mencionados, seguido de una evaluación de los resultados posterior a la ocupación. El proyecto de demostración también analiza la personalización del diseño y la flexibilidad espacial basada en un kit de piezas que permite una variedad de opciones de diseño en términos de una sola unidad o de múltiples unidades59.

La escala y las formas en que se pueden taxonomizar la fabricación y el montaje de componentes de sistemas de viviendas prefabricadas, como sugirieron Boafo et al.34, pueden ser categorizando las estructuras de los cuatro conceptos principales de construcción prefabricada en términos de sus partes únicas, a saber, componentes, Estructuras paneladas, Estructuras modulares y Estructuras híbridas. Específicamente, en el caso del tipo Modular, la estructura se produce y ensambla fuera de sitio, ya sea como una sola unidad o como un pequeño número de componentes diferentes que pueden ensamblarse de una manera prescrita34. En cuanto al tipo de elementos prefabricados, la unidad se puede ensamblar en el sitio o en la planta de fabricación mediante la compilación de un kit de piezas que luego se puede ensamblar según el lugar preferido o según lo permitan las circunstancias. En el caso del tipo generado por Contenedor, la unidad también puede construirse en el sitio o fuera del sitio, con diseños posibles que dependen de reconfiguraciones de contenedores de envío estándar.

Siguiendo esta clasificación, Savvides et al.27 propusieron un marco para mapear la colección diversa de unidades de vivienda prefabricadas, proponiendo una taxonomía basada en la literatura disponible y en una revisión de ejemplos y estudios de casos publicados o disponibles. Estas muestras son importantes en la evaluación y categorización de sistemas de unidades de vivienda prefabricadas en términos de características de componentes arquitectónicos comunes. La idea detrás de este intento de idear una taxonomía en términos de familias arquetípicas de unidades que implican componentes y características de ensamblaje y organización similares, no fue yuxtaponer estas características, sino más bien presentar críticamente la efectividad de las diversas alternativas, ya que también pueden Satisfacer y servir a la dimensión "verde" en un marco de diseño más amplio para la prefabricación de estructuras residenciales.

Aunque la literatura sobre el tema es limitada, existen numerosos estudios que relacionan la prefabricación en viviendas con la eficiencia energética. Savvides et al.27 examinaron varios estudios de casos (14 modulares, 30 elementos prefabricados, 6 contenedores generados) e identificaron 46 tipos que exhiben distintas características de prefabricación, como se indican en parte en la Tabla 127.

Es evidente que el tipo de unidades más popular (que también se puede utilizar fuera de la red si es necesario) es el tipo de elementos prefabricados, seguido del tipo modular y el tipo contenedor. Esto podría explicarse porque el uso de elementos prefabricados puede resultar más asequible debido a un proceso de producción más sencillo, en comparación con los otros dos tipos, que tienen más limitaciones en ese campo, al no ser muy fáciles de producir y construir. Por lo tanto, en lo que respecta a la construcción, uno de los requisitos previos para el montaje es que una unidad típica, total o parcialmente, se preste al transporte. El transporte podría facilitarse si se descompusiera en componentes separados, se ensamblara total o parcialmente en la fábrica y se transportara al sitio de construcción para su finalización y montaje. Además, si tuviera una concepción modular, ofrecería la posibilidad de organizarse en grupos de muchas unidades, que a su vez podrían ayudar a formar un complejo más grande y extenso. Además, podría ofrecer la posibilidad de poder operar fuera de la red, dada la integración de componentes como sistemas solares, sanitarios químicos, infraestructuras de captación de agua, etc.

La paleta de materiales de construcción podría incluir una variedad de componentes de un solo material o compuestos hechos de metal, madera, mampostería y/o materiales híbridos. La configuración del sistema estructural asociado probablemente se basaría en conjuntos de postes y vigas o una configuración de estructura de globo o incluso un sistema de soporte de carga autoportante. En cuanto a la adaptabilidad de la ubicación de la unidad, ésta debería poder colocarse sobre plataformas o sobre pilotes.

En la mayoría de los estudios de caso, se da mucha consideración a la inclusión de sistemas pasivos que buscan asegurar y proporcionar iluminación y ventilación natural, mientras que los sistemas de sombreado regulan el desempeño de la unidad en términos de ganancias solares y pérdidas de calor mediante la incorporación de aislamiento térmico y asegurando la estanqueidad al aire de la envolvente del edificio, especialmente donde pueden ocurrir puentes térmicos. Además, si el conjunto de la unidad ayuda a reducir las cargas de energía de calefacción y refrigeración, puede reducir los costos operativos y contribuir al confort térmico de los usuarios.

Los requisitos posteriores fueron que las unidades contaran con un sistema activo de energía renovable para regular el balance energético del edificio, mediante autonomía de producción de energía. Específicamente, la investigación tiende a indicar que este objetivo podría lograrse mediante el uso estratégico de paneles fotovoltaicos (PV) integrados específicamente aplicados o sistemas solares térmicos (STS) aplicados. Finalmente, aunque las prácticas ecológicas no se cumplen en todos los casos de estudio, la preocupación por las buenas prácticas en este sentido es cada vez más popular, ya que contribuye a la minimización de la huella ecológica del edificio mediante el uso de materiales reciclables y cubiertas verdes y/o muros, así como incorporando mecanismos de reutilización del agua y almacenamiento local de agua de lluvia. En última instancia, estos hallazgos pueden constituir una hoja de ruta inicial en cuanto a la elección de componentes y técnicas de ensamblaje e infraestructuras relacionadas que pueden impulsar el diseño esquemático y constituir bases para el desarrollo del diseño y las especificaciones de construcción.

La investigación propuesta se basa en un enfoque de investigación por diseño. Se comienza revisando referencias relevantes esbozadas en la sección anterior en términos de diseño, fabricación y montaje de unidades, mientras que también se han examinado aspectos de responsabilidad ambiental, a través de dos vertientes de investigación más.

En el primer aspecto, la revisión de la literatura conduce a una reducción de los precedentes tipológicos relevantes cuyos parámetros luego influyen en los atributos morfológicos. Estos atributos se corresponden con características de ubicación específicas, que dependen de atributos climáticos, culturales y económicos y que influyen en diversos componentes arquitectónicos de la documentación de diseño y construcción y desempeñan un papel en la cadena de valor de fabricación y montaje60.

En el segundo aspecto, la conceptualización del proyecto de demostración ilustrado, trata de la optimización del proceso de prefabricación tal como existe en Chipre y de una manera que se adhiera a principios probados de diseño ambiental y rentabilidad. La unidad de vivienda propuesta también fue evaluada en términos de rendimiento de energía e iluminación natural y ahorro de costos. Se realizaron simulaciones de iluminación natural para explorar la autonomía de luz natural de la unidad, la exposición anual a la luz solar y la probabilidad de deslumbramiento, con el objetivo final de definir la instalación de dispositivos de protección solar, mientras que se llevó a cabo un análisis de costes con el objetivo de validar la asequibilidad de la unidad. Las estrategias de diseño pasivo jugaron un papel importante en el examen de la propuesta de diseño para este proyecto piloto. Estos se cuantificaron y verificaron utilizando un software oficialmente autorizado llamado iSBEM CY (Simplified Building Energy Model, iSBEMcy_v3.4.a), que fue desarrollado para este propósito por la República de Chipre y con miras a maximizar el ahorro de energía como resultado de la la configuración del edificio y los atributos de los componentes del edificio seleccionados, garantizando al mismo tiempo el confort térmico de los ocupantes del edificio.

Para realizar simulaciones computacionales del rendimiento de luz natural de la unidad prefabricada, se utilizó el complemento “DIVA” del software Rhinoceros. 'DIVA' utiliza el motor de simulación Radiance, ampliamente aceptado y validado para simulaciones de iluminación. El modelo 3D de la unidad de vivienda prefabricada se diseñó en la interfaz Rhino 7. Los parámetros establecidos fueron que el patrón de ocupación estaría en un rango horario de 08:00 a 18:00 (un rango que incluye las horas de luz para Chipre), utilizando el horario de verano (DSM). El análisis no incluye las horas nocturnas en las que se requeriría iluminación artificial. La simulación se llevó a cabo a una altura del plano de trabajo de 0,85 m sobre el piso terminado, utilizando una cuadrícula de 0,20 m × 0,20 m para un análisis más detallado de la distribución de la luz natural. Además, la reflectancia de la superficie de los materiales se proporciona en la Tabla 2.

Otras consideraciones incluyeron los altos niveles de radiación solar en Chipre, lo que motivó el estudio y la implementación de dispositivos de protección solar en la unidad. En consecuencia, se tiene en cuenta el uso de dispositivos de sombreado horizontales, con tres posiciones de rotación diferentes. Fueron esenciales diferentes rotaciones para comparar configuraciones de sombreado y decidir el ajuste óptimo en función de la orientación de los distintos elementos del programa. El posicionamiento y uso de los dispositivos de lamas de sombreado se muestran en la Fig. 1.

Rotación de dispositivos de sombreado; (a) 90°, (b) 60° (30° en el sentido contrario a las agujas del reloj), (c) 120° (30° en el sentido de las agujas del reloj) rotación de las lamas.

Se examinaron y compararon cinco escenarios diferentes en términos de los materiales y métodos de construcción primarios, para estimar el costo potencial de construcción:

Construcción con estructura de acero y mampostería con paneles ecológicos

Construcción con estructura de acero y mampostería liviana

Construcción con estructura de madera

Construcción de unidades de mampostería de concreto (CMU)

Construcción de Hormigón Armado (Construcción Convencional)

Se hicieron algunas suposiciones para que la yuxtaposición de los diferentes escenarios fuera válida y realista en términos tanto de una lista de cantidades sólida como de costos informados.

Primero, el tamaño de la unidad se considera constante en todos los casos para que la estimación cuantitativa elimine errores en las comparaciones. En segundo lugar, para todos los casos alternativos se llevó a cabo un análisis del sistema estructural para establecer los tamaños de las respectivas secciones transversales de los componentes portantes.

Para la construcción con estructura de acero y mampostería liviana, los tamaños de las vigas y columnas utilizadas, así como el espesor de las losas, fueron los mismos que los utilizados en el proyecto de demostración. Para las demás alternativas, el análisis reveló lo siguiente:

En cuanto a la construcción con estructura de madera, las vigas de madera seleccionadas para el techo medían 6,5 × 10 cm, mientras que el espesor total de la estructura de mampostería era de 18 cm. El análisis también recomendó el uso de dos columnas metálicas de sección cuadrada de 10 × 10 cm.

Siguiendo la misma metodología, el análisis para CMU Construcción indicó que se debe utilizar una columna metálica de sección 10 × 10 cm, para reforzar la construcción con bloques. Del mismo modo, una medida adicional podría ser el uso de aplicaciones de hormigón armado, de 15 cm de altura y situadas encima de todas las aberturas de mampostería (ventanas y puertas).

Finalmente, en cuanto a la construcción convencional, todos los tramos de viga midieron 25 × 50 cm, con seis tramos de columna de 25 × 25 cm con losas de cimentación y cubierta de 35 cm y 17 cm de espesor, respectivamente.

Habiendo definido así los parámetros y especificaciones de diseño, el proyecto de demostración tiene como objetivo proporcionar una alternativa mejorada y considerada de manera más integral para una unidad de vivienda prefabricada, basada en un conjunto de kit estandarizado y en principios de diseño ambiental que se rigen por un enfoque de diseño integrado. A continuación se proporciona una descripción detallada de la investigación por diseño propuesta, centrándose en las decisiones de diseño clave que rigen el proyecto de demostración.

En general, el modelo se rige por las siguientes características, que se basan en los resultados de la taxonomía presentada en “Análisis y taxonomía de estructuras prefabricadas”:

En lo que respecta a los aspectos de construcción, la unidad debería prestarse a la portabilidad total o parcial basándose en el ensamblaje de componentes de construcción más grandes a partir de un kit de piezas estandarizado, ofreciendo flexibilidad en la configuración pero también pluralidad en términos de distribución y diseño espacial, con También se tiene en cuenta la posibilidad de una futura ampliación. Los materiales de construcción deben elegirse entre metal, madera y materiales híbridos teniendo en cuenta sus propiedades térmicas y su potencial de reutilización.

Con respecto al sistema estructural, la investigación indica que un sistema de postes y vigas se presta bien como sistema estructural principal para este proyecto de demostración, en una configuración de estructura de globo o incluso como un sistema autoportante que soporta carga.

En términos de conformidad y gestión de la adaptación física del sitio, la propuesta es que plataformas o pilotes estructurales superen los desafíos de ubicación resultantes del terreno irregular.

Con respecto a la dimensión de diseño ambiental, la investigación indica que los sistemas de energía activa de la unidad deberían incluir energía fotovoltaica (PV) aplicada o integrada y/o sistemas solares térmicos (STS)61, al menos para Chipre y su clima mediterráneo y su prevalencia de insolación.

Los sistemas pasivos de la unidad con respecto a asegurar la iluminación y ventilación natural deben utilizarse al máximo posible. Otras consideraciones permiten la sombra y la regulación de las ganancias solares directas, cuando y donde sea necesario, y la provisión de confort térmico para los usuarios potenciales mediante el uso de capas apropiadas de aislamiento y la minimización de la pérdida de calor mediante el diseño de una unidad hermética.

Al mismo tiempo, se debe buscar la reducción de los requisitos energéticos que se traduzcan en ahorros de energía mediante la integración de sistemas de gestión de edificios inteligentes.

Por último, la utilización de materiales reciclados o reutilizados en la construcción hará que la unidad sea más respetuosa con el medio ambiente.

Con las estrategias de diseño clave y los parámetros de diseño descritos anteriormente (“Objetivos de diseño”), el proceso de investigación continuó con una exploración de las posibles morfologías arquitectónicas que podrían adoptarse, apuntando a un ciclo de construcción de bajo costo, con simplicidad de montaje y también considerando eficiencias en los requerimientos energéticos con bajos costos operativos, basado en una unidad central de 21 m2 (dimensiones internas de 7,00 × 3,00 × 2,70 m) compuesta por una grilla de siete por tres (7 × 3) a intervalos de 1 m (Fig. 2 ).

Unidad central (izquierda), edificio de demostración (derecha) que comprende la unificación de dos unidades centrales conectadas entre sí por un patio interno, dando como resultado una casa de 60 m2.

En el mapeo del know-how industrial en Chipre en este sector industrial (“Uso de la prefabricación: el caso de Chipre”), se indicó que la unidad debería ser móvil y depender de un juego de piezas. Teniendo en cuenta que la carcasa de la unidad está formada por paneles de montaje (Eco Panels de 80 mm de espesor), el equipo investigó la posibilidad de instalarlos y desinstalarlos de manera sencilla (Fig. 3).

Ilustración del armazón de la unidad; formado por el ensamblaje de paneles.

Esta opción de diseño de carcasa ofrece un rendimiento óptimo de eficiencia energética y mantiene los costos generales de construcción dentro de los parámetros prescritos. Se recomienda la instalación de voladizos adecuados, ya que estos también actuarán como receptores de los paneles solares (fotovoltaicos y/o solares térmicos). En el perímetro de la unidad propuesta, el equipo de estudio instaló paneles de protección solar perforados con el ángulo de sus lamas definido por el rendimiento de iluminación natural y cuyos resultados se presentan a continuación (“Sistemas pasivos”).

El estudio de diseño estructural confirmó la posibilidad de que la unidad propuesta se expanda tanto en el eje horizontal como en el vertical hasta dos pisos, aumentando la posibilidad de adaptarse a diseños alternativos, lo que podría resultar en una unidad de 40 m2 o 60 m2 y así mejor. servir a los requisitos espaciales y organizativos de los futuros habitantes, al tiempo que permite la formación de grupos de unidades. Para lograr esto después de la construcción del tipo poste y viga, se realizó un análisis estructural y se desarrolló un esquema para un "kit de piezas" que consta de siete partes principales. Estos pueden configurarse en varios diseños diferentes dando como resultado una sola unidad, una unidad de dos pisos o incluso un grupo de unidades, según las necesidades y requisitos de los usuarios finales (Fig. 4).

Montajes alternativos para el proyecto demostrativo. El desarrollo del prototipo se basa en la segunda configuración desde la izquierda.

Los conjuntos de componentes especialmente configurados para la propuesta de diseño forman tres grupos de elementos: (a) los elementos estructurales primarios, basados ​​en perfiles de acero IPE220 y SHS 100 × 100 × 8, (b) los elementos estructurales secundarios, basados ​​en perfiles de acero IPE100, y (c), cualquier elemento estructural secundario, que utilice acero liviano para actuar como soporte para las estructuras de las paredes y el marco de cualquier abertura (Fig. 5).

Desglose del "kit de piezas".

Los elementos estructurales se fabrican y ensamblan en la unidad central en un ambiente controlado fuera del sitio. Luego, las unidades centrales se transfieren al sitio para su posterior ensamblaje. El edificio de demostración fue fabricado y ubicado en un terreno plano y bajo en las afueras de Nicosia, donde permanecerá durante un tiempo como exposición, con fines de investigación y demostración comercial, promocional e industrial.

Junto con todas las estrategias mencionadas anteriormente, el equipo de diseño realizó una evaluación de las diversas iniciativas de diseño energético y ambiental, que podrían incorporarse en la unidad de demostración de conformidad con los principios de diseño bioclimático. Esta evaluación abarcó estrategias de calefacción y refrigeración para mejorar las condiciones microclimáticas; estrategias de iluminación natural destinadas a crear condiciones ideales de confort visual en el interior; y cumplir con el objetivo de minimizar el consumo energético y reducir significativamente los costes operativos.

En la etapa de desarrollo del diseño del proceso se incorporaron parámetros que tenían que ver con alcanzar un edificio con requerimientos energéticos nulos o casi nulos, y se consideró útil considerar tempranamente la integración arquitectónica de sistemas fotovoltaicos y/o solares térmicos. Lo anterior cubriría las necesidades energéticas de la unidad en caso de que se requiera operar de forma autónoma fuera de la red. Este modo de pensar llevó a la selección de un sistema fotovoltaico integrado en el edificio y opaco en el techo de la unidad, mientras que en los voladizos orientados al sur, se eligió un sistema fotovoltaico integrado en el edificio semitransparente, que también sirve pasivamente como dispositivo de sombra para la cubierta de abajo.

También surgieron varias estrategias en el contexto del diseño pasivo (Fig. 6), donde el ahorro en los requisitos energéticos y la garantía del confort térmico de los habitantes era otro objetivo principal. La iluminación natural se logra con la ubicación estratégica de las aberturas, para aprovechar las mejores condiciones de insolación y sombra, mientras que la ventilación cruzada se logra mediante la ubicación estratégica de las aberturas en la estructura del edificio. Este enfoque funciona bien con las estrategias de enfriamiento anticipadas que operan en conjunto con los sistemas de sombreado pasivo previstos.

Las principales estrategias pasivas aplicadas a la unidad. De izquierda a derecha: sistema de sombreado pasivo, ventilación cruzada natural, ganancia solar directa, aislamiento térmico, zona de amortiguamiento.

Al considerar las estrategias de calefacción, el diseño de la unidad permite ganancias solares directas y, por lo tanto, reduce las cargas de calefacción mecánica en los períodos fríos y fríos del año, mientras que en los períodos cálidos y calurosos, los sistemas de sombreado pasivo integrados ayudan a prevenir, o al menos minimizar, —sobrecalentamiento de los espacios interiores habitables. Al mismo tiempo, el objetivo de lograr la estanqueidad general del aire en la carcasa se vuelve más factible mediante la colocación de una zona de amortiguación térmica en el lado norte de la unidad con el uso paralelo de capas apropiadas de aislamiento térmico que minimicen los intercambios térmicos no deseados con el entorno exterior. .

Como se mencionó anteriormente, al incorporar prácticas de diseño sustentable en la fabricación y configuración general de la unidad, el equipo de estudio intentó maximizar el uso de piezas estructurales y materiales de construcción reciclados en la línea de ensamblaje, especialmente aquellos de aluminio o madera. También se utilizaron elementos reciclados, en su mayoría de tableros de fibra orientada (OSB), para muebles fijos y móviles, incluidos acabados interiores, como tratamientos de suelos y techos, y también acabados de revestimientos exteriores. Esto está en línea con la filosofía más amplia que rige la simplicidad esperada en el montaje y desmontaje de la unidad propuesta, que gira en torno a la facilidad de transporte y la reconfiguración de los elementos del kit. Estos, a su vez, se derivan de componentes modulares e intercambiables, para abordar las necesidades siempre cambiantes de los usuarios potenciales. Esta estrategia también respalda el enfoque de diseño ecológico de la unidad, logrado al acompañar el uso del kit de piezas antes mencionado con técnicas de construcción en seco relacionadas.

Los aspectos de la "inteligencia" se abordan mediante la instalación de sensores que registran constantemente parámetros ambientales relativos, elementos pasivos (aberturas y voladizos), así como componentes de calefacción, refrigeración e iluminación. La instalación de un sistema de automatización tiene como objetivo regular y asumir la gestión energética de la unidad para optimizar las eficiencias operativas y reducir las pérdidas al mínimo. Otro elemento que define el proyecto demostrativo es la incorporación de una interfaz de usuario de interacción pasiva, que actualiza un perfil de usuario integrado basándose en el registro de patrones de comportamiento.

Como se presenta en el capítulo de metodología, el proyecto de demostración propuesto se evaluó en términos de desempeño energético, desempeño de iluminación natural y posibles ahorros de costos relacionados con la toma de decisiones informadas en la utilización de materiales y métodos adoptados de fabricación y ensamblaje y en la racionalización de las operaciones del edificio.

El sistema de calificación local que analiza el rendimiento energético asignó una calificación "A" a la unidad, que es la calificación más alta posible y que constituye una designación legalmente vinculante en Chipre. Esto convierte a la unidad en un edificio de consumo de energía casi nulo (nZEB), con bajos gastos operativos y máxima eficiencia energética.

Según las simulaciones, su consumo energético total es de 53,7 kWh/m2/año, que está cubierto en su totalidad por los Sistemas de Energías Renovables (RES), el 95% por la Fotovoltaica Integrada en Edificios (BIPV) y el 5% por el Sistema Solar Térmico. (STS). En la Fig. 7 se presenta un análisis de las cargas con respecto al consumo de energía.

Análisis del consumo energético del edificio propuesto, exportado desde el software.

Como se muestra en las Figs. 7 y 8, las cargas de refrigeración de la unidad son significativamente mayores que las cargas de calefacción durante todo el año, un hecho que se explica al considerar la superficie de la unidad como una proporción de la extensión significativa de las fachadas acristaladas orientadas al sur de la unidad. El análisis resultante respalda las estrategias utilizadas por el equipo de investigación con respecto a las decisiones de diseño ambiental. También apoya las decisiones relativas a la elección de las técnicas y materiales utilizados para la construcción y al cumplimiento del mandato de garantizar una ventilación cruzada natural resultante de estrategias de refrigeración pasiva.

Cargas de consumo de energía del edificio propuesto, analizadas por mes, exportadas desde el software.

El análisis de la iluminación natural también se consideró un factor importante para cumplir con los parámetros de diseño ambiental de la unidad prefabricada. Aunque los niveles de iluminación óptimos para una residencia no se pueden definir con valores absolutos, dado que las tareas y actividades difieren para cada usuario según sus necesidades, se utilizaron métodos de simulación para estudiar el rendimiento de la luz natural. Con base en esto, se identificaron dispositivos de protección para mantener niveles aceptables de iluminación natural y al mismo tiempo reducir las ganancias de calor solar no deseadas. El rendimiento de la luz natural utilizando métricas estáticas se limitó a momentos y días específicos del año, por lo que en la investigación actual, las métricas dinámicas de Autonomía de luz natural (DA), Autonomía de luz natural continua (cDA), Exposición anual a la luz solar (ASE) y Útil Se utilizó iluminancia de luz diurna (UDI). El nivel mínimo de iluminancia se fijó en 300 lx62,63.

Considerando que la Autonomía de Luz Natural se mide como el porcentaje del área ocupada que puede alcanzar 300 lx o más, durante más del 50% del tiempo que el espacio está ocupado64, los hallazgos mostrados en la Fig. 9 indican que todas las habitaciones propuestas tienen suficiente Acceso a la luz del día durante el tiempo que la unidad esté ocupada. Los cálculos muestran que la autonomía media de luz diurna continua tiene resultados más altos que la media DA.

Autonomía diurna media y autonomía diurna media continua.

Además de la autonomía de la luz natural, la métrica de exposición anual a la luz solar se utiliza para estudiar la exposición de un espacio a la luz solar directa. Este indicador suele expresarse como el porcentaje de un espacio que alcanza 1000 lx de luz solar (los rebotes ambientales en los parámetros de radiancia se establecen en 0) durante más de 250 h al año. LEED y WELL Building Standard65 exigen que el ASE no exceda el 10 % del área de la habitación64, The WELL Building Standard V1, 201466. La Figura 10 muestra los hallazgos de ASE para la unidad de vivienda prefabricada. Parece que todos los espacios tienen una importante exposición a la luz solar directa debido a las grandes zonas acristaladas. El uso de dispositivos de sombreado reduce el área expuesta. Como se muestra en la Fig. 8, la mejor opción para todas las habitaciones de la unidad prefabricada es utilizar lamas de lamas en un ángulo de 60°, lo que produjo resultados ASE inferiores al 40%. Opciones adicionales de protección interna, como persianas o cortinas, podrían proteger aún más de la exposición a la luz solar.

Exposición anual a la luz solar.

Otro indicador dinámico ampliamente utilizado es la iluminancia de luz diurna útil. Los datos presentados en la Fig. 11 indican que los cuatro espacios de la unidad tienen más del 60% de su área con niveles de luz natural útil (UDI 300–3000 lx). Cuando se utilizan dispositivos de sombreado, el UDI entre 300 y 3000 lx aumenta hasta un 80%. Esta métrica es otra verificación de que la instalación de dispositivos de sombreado, especialmente en la sala de estar y en el dormitorio 1, podría mejorar enormemente el confort visual de los usuarios.

Iluminancia útil de luz diurna (300–3000 lx).

Otro aspecto importante del comportamiento de la luz diurna considerado para la investigación es la probabilidad de deslumbramiento. Para este análisis se utilizó la métrica estática de DGP. Dado que existen varias posibilidades de visualización para cada habitación, se eligieron cuatro opciones, como se muestra en la Fig. 12, para analizar el deslumbramiento en función de la posición relativa de los ocupantes durante diferentes actividades.

Posiciones de visualización para análisis de probabilidad de deslumbramiento.

El análisis se realizó para el solsticio de verano, el solsticio de invierno y el equinoccio de otoño a las 9:00, 12:00 y 15:00 horas. Los datos muestran que cuando no se utilizan dispositivos de protección solar en la cocina, el salón y el dormitorio 1, los problemas de deslumbramiento pueden aparecer especialmente durante el invierno y concretamente alrededor de las 09:00 horas, ya que a esa hora el sol está a menor altura. Cuando se implementa el sombreado, la probabilidad de deslumbramiento se reduce por debajo de 0,45 o incluso 0,35, lo que se define como imperceptible. La rotación de las lamas de 60° proporciona la mejor protección contra el deslumbramiento en todas las estancias (Fig. 13).

Análisis de probabilidad de deslumbramiento diurno (DGP).

En conclusión, los indicadores estáticos y dinámicos presentados anteriormente indican niveles de luz diurna entre adecuados y buenos durante todo el año, mientras que la instalación de dispositivos de protección solar (especialmente cuando se colocan en un ángulo de 60°) puede reducir sustancialmente los efectos del deslumbramiento.

El propósito del análisis de costos fue explorar diferentes métodos de construcción, principalmente en términos de materiales alternativos y opciones relacionadas con la construcción del proyecto de demostración. Específicamente, la unidad bajo investigación está configurada como un estudio con una superficie de 30 m2 (incluida la terraza cubierta). La formación típica de esta unidad consiste en una construcción de estructura de acero y Eco Paneles para mampostería y techo. La yuxtaposición de los diferentes escenarios giró en torno a los costes de construcción relevantes y las propiedades mecánicas de los materiales de construcción primarios.

Una vez establecidos los parámetros de diseño, se calcularon todas las cantidades de los componentes del edificio y los tratamientos de superficie para crear una lista de cantidades. Se utilizó una lista de cantidades para cada estudio de caso/escenario de construcción. Los proyectos de ley incluían una lista ampliada en lo que respecta a los cimientos, los componentes portantes de la estructura del edificio, el techo y el suelo, la mampostería, el aislamiento, las pinturas y los revestimientos (por ejemplo, revestimiento de yeso cuando sea necesario). Todos los trabajos subcontratados, incluidos plomería, servicios eléctricos, alicatados y equipamiento, no se incluyeron en la lista de cantidades y, por lo tanto, la estimación del costo final de cada estudio no es el costo real de la construcción. Se consideró que estos costos no contabilizados eran iguales, similares para todos los estudios de caso y de acuerdo con los precios en el mercado de la industria de la construcción chipriota en el momento de este estudio. Cuando se completaron las cinco listas de cantidades, se estimaron los costos para cada método de construcción, como se presenta en la Tabla 3.

La exploración de métodos de construcción alternativos reveló que el proyecto de demostración presenta la opción más económica de construir en comparación con otras construcciones con estructura de acero, estructura de madera y construcciones convencionales, un hecho que respalda las decisiones tomadas según el mérito de la unidad propuesta.

La diferencia de costos radica en pequeñas diferencias presentadas en los métodos de construcción que reflejan las propias estructuras. La siguiente tabla (Tabla 4) describe analíticamente los costos relevantes. Lo que es evidente es la eficiencia del enfoque de prefabricación seleccionado para el proyecto de demostración, ya que no es necesario ningún recubrimiento (y en particular ningún recubrimiento de yeso), lo que es un factor constante que aumenta los costos en las alternativas. Otro factor que aumenta los costes es la necesidad de una losa de cimentación, que no era necesaria en el proyecto de demostración.

También cabe destacar la diferencia de coste por metro cuadrado al comparar diferentes escenarios. El proyecto demostrativo es 148,33 €/m2 más barato que la construcción convencional, mientras que la diferencia entre la unidad en cuestión y la alternativa con estructura de madera se reduce a 46,57 €/m2 (Tabla 4).

Los hallazgos indican que el método de construcción propuesto y la materialidad del proyecto de demostración muestran ventajas definitivas sobre los tipos alternativos de construcción, ya que es más eficiente y asequible. No sólo se obtienen beneficios durante las obras de construcción, sino que los costes de renovación también parecen bajos, especialmente si se tiene en cuenta la vida útil de los materiales. El único inconveniente de la unidad propuesta podría ser la cantidad de emisiones de CO2 en la etapa de producción del acero, así como la cantidad de CO2 incorporado en algunos de los materiales componentes, especialmente en lo que respecta a los paneles ecológicos (Tabla 5). . Por otro lado, durante la propia fase de construcción, las emisiones de CO2 durante el montaje de la unidad se mantienen al mínimo. Esto se debe a un proceso de línea de producción eficiente y optimizado que se beneficia de economías de escala.

El objetivo de la investigación fue hacer una contribución a la literatura considerando un proyecto de demostración real, que se ha utilizado como banco de pruebas para la investigación del proceso de diseño y construcción donde la tipología de unidades de vivienda se basa en la prefabricación y la modularidad. . Un aspecto importante del trabajo ha sido la recopilación de referencias literarias y estudios de casos dispares y su compilación en una taxonomía de arquetipos y en grupos con características específicas: en “familias de proyectos con ideas afines”. Al compilar esta taxonomía, los investigadores determinaron que el tipo más popular de unidades de vivienda prefabricadas es el tipo "elementos".

Utilizando los conocimientos adquiridos, adaptando las tecnologías apropiadas y haciendo el mejor uso de los conocimientos técnicos locales, se tomaron decisiones informadas en términos de diseño, fabricación, transporte, estrategias de ensamblaje y eficiencia energética desde las primeras etapas de producción de componentes hasta el ensamblaje en sitio. Además, se pretende que el proyecto de demostración pueda funcionar fuera de la red y lograr la máxima utilización de la eficiencia y el ahorro de costos asociados con una cadena de valor que depende en gran medida del uso de la prefabricación para crear un kit portátil de piezas del sistema principal. componentes arquitectónicos.

Otro aspecto de su originalidad radica en la selección de la paleta de materiales utilizados en el diseño del proceso de prefabricación y los requisitos de transporte posteriores a un sitio específico, al tiempo que se gestionan las restricciones dimensionales impuestas por el envío estándar, hasta el ancho de las carreteras y la distancia entre puentes. . Otros desafíos incluyen el área de preparación, la secuencia de ensamblaje (en sitio) con la menor cantidad de componentes posible en el menor tiempo y sin utilizar mano de obra especializada.

En el análisis de costos, quedó claro que el método de construcción del kit de piezas y la materialidad del proyecto de demostración fueron más eficientes y asequibles, ya que la investigación muestra que el tipo de construcción convencional costará más del doble que el método propuesto. El único inconveniente identificado fue la cantidad de emisiones de CO2 en la etapa de producción del acero y la energía incorporada de los materiales. En cuanto al rendimiento energético, el proyecto de demostración obtuvo una puntuación especialmente buena, obteniendo una calificación A siguiendo la metodología iSBEM CY, lo que justifica las estrategias de diseño ambiental aplicadas, aunque se deberían recopilar más datos para adquirir una imagen aún más completa. Al evaluar los sistemas de sombreado móviles y los voladizos como opciones de diseño en simulaciones de iluminación natural, se demostró que eran positivos en términos de garantizar el confort visual, ya que el UDI entre 300 y 3000 lx se incrementó hasta un 80% y la probabilidad de deslumbramiento se definió como imperceptible.

Además, esta propuesta ofrece una forma alternativa de considerar las necesidades de vivienda inmediatas y a corto y mediano plazo para un país como Chipre, que está a la vanguardia de la presión que recibe para proporcionar entornos de vivienda dignos para las oleadas de inmigrantes internacionales que llegan al país. isla—y también para sus propios ciudadanos en estos tiempos de crisis económica que provocan dificultades para que los hogares obtengan acceso a una vivienda digna.

En consecuencia, el enfoque de prefabricación debe examinarse de manera integral y deben revisarse cuidadosamente las cuestiones de viabilidad y financiación del proyecto de vida, así como el rendimiento del ciclo de vida del edificio. Los niveles actuales de conocimiento industrial en la industria de prefabricación de viviendas en la isla fueron una limitación importante para el proyecto. Los procesos de diseño y construcción deben adaptarse a las limitaciones impuestas por la industria y a la disponibilidad de suministros de materiales para lograr resultados óptimos según las circunstancias. Fue debido a estas limitaciones y en la búsqueda del mejor resultado posible que se produjeron retrasos en el cronograma.

Finalmente, esta propuesta espera impulsar una revisión tanto de los códigos de construcción como de los marcos de planificación y políticas que prescriben tanto estándares de diseño como criterios de desempeño para soluciones alternativas a las viviendas convencionales como un trampolín hacia comunidades más sostenibles y sus potencialmente nuevos vecindarios residenciales o posibilidades de relleno. lotes baldíos o subutilizados, en barrios residenciales existentes.

El sistema propuesto está definido de tal manera que pueda adaptarse e integrarse fácilmente en un ciclo operativo existente basado en los procesos de producción asociados a este producto, cuyo resultado será un ahorro en costos de construcción y tiempos de montaje del edificio como subproducto de la estandarización de tanto componentes como procesos. Otro beneficio, esta vez para el diseñador, pero también potencialmente para el usuario final, es la esperada facilidad y flexibilidad de configuración durante el ciclo de vida de la unidad y su potencial de expansión para crear una unidad más grande o dar como resultado un grupo de unidades.

La evaluación posterior a la ocupación brindará la oportunidad de reexaminar toda la gama de documentación detallada de la construcción tanto en la planta de fabricación como en el sitio de montaje y montaje para abordar todos los desafíos que se revelaron a lo largo de este tiempo. Además de eso, el equipo ya ha recurrido a los sistemas de gestión inteligentes que monitorean los parámetros operativos del proyecto de demostración, con miras a realizar ajustes que puedan minimizar aún más los costos operativos y maximizar la comodidad del usuario. También se han incorporado sensores especializados y registradores de datos en ubicaciones estratégicas para monitorear el comportamiento ambiental de la estructura y el potencial de producción de energía. El diseño final podrá entonces evaluarse con un mayor grado de certeza y será posible una estimación más precisa del costo de la unidad. La siguiente etapa de investigación también incluye las posibilidades espaciales que ofrece la unidad cuando se organiza en grupos, explorando así la versatilidad y adaptabilidad de la unidad en contraste con desarrollos de viviendas más convencionales y estáticos.

Todos los datos estarán disponibles previa solicitud razonable del autor correspondiente.

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Constantino Vasiliades

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Todos los autores han contribuido por igual.

Correspondencia a Andreas Savvides o Constantinos Vassiliades.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Savvides, A., Michael, A., Vassiliades, C. et al. Un examen del diseño de una unidad de vivienda prefabricada en Chipre en términos de energía, iluminación natural y coste. Informe científico 13, 12611 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38045-5

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Recibido: 26 de enero de 2023

Aceptado: 01 de julio de 2023

Publicado: 03 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38045-5

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