INTRODUCCIÓN – La mayoría de la población en Chile, y en muchos países en desarrollo, vive en viviendas aisladas que generan un alto consumo energético y poseen bajo desempeño ambiental, especialmente en las latitudes medias con fuertes demandas de calefacción, pero que reciben a su vez una relevante radiación solar. Nuevas tecnologías de paneles colectores híbridos (fotovoltaicos y térmicos por aire o fluido) pueden integrarse en cubiertas inclinadas y aportar de manera combinada en energía eléctrica, agua caliente y calefacción. Logrando una auto-generación de sus demandas que permita alcanzar el concepto de vivienda de cero-energia (NZE). Sin embargo requieren techumbres adecuadamente orientadas y altos costos de instalación. Por lo que se plantea un sistema de cobertura adaptable a distintas viviendas que otorgue una adecuada recolección solar y genere también espacios habitables, debido que es una necesidad recurrente y las ampliaciones de recintos pueden ser financiadas con créditos hipotecarios de menor tasa de interés. Para lo cual se desarrolla una programación paramétrica con optimización por algoritmo genético y una estrategia de fabricación digital que permita proponer techumbres variables y eficientes, con bajos costos de ejecución. Estableciendo una novedosa integración de generación de la forma, análisis energético y construcción industrializada mediante sistemas digitales.

PROCEDIMIENTOS METODOLÓGICOS –  Primeramente se efectuó un catastro de viviendas en la zona céntrica del principal área metropolitana en el sur de Chile (la ciudad de Concepción), registrando sus demandas energéticas en base a consultas estadísticas y efectuando modelos volumétricos representativos para analizar su capacidad de captación solar en las distintas superficies y proponer sistemas recolectores. Esta estimación fue implementada en un mapa urbano en línea para que cualquier residente pudiera consultar sus potencialidades de instalación y beneficios esperados, además de estimar que más de la mitad de la vivienda independiente posee capacidad suficiente en techumbre, de acuerdo a una configuración adecuadamente orientada. Por otro lado, también se instaló una plataforma de prueba de paneles solares con distintas tecnologías, además de un piranómetro para medir la captación solar. Se está verificando el desempeño de paneles fotovoltaicos conectados a la red o independientes, térmicos con termosifón y bomba de calor, e híbridos con agua, en su recolección eléctrica y térmica, que es el primer sistema de este tipo instalado en el país. Posteriormente se elaboró una síntesis geométrica de las variaciones de diseño de las viviendas, estableciendo sus parámetros formales y por otro lado simulación dinámica de algunos casos representativos para determinar la conciliación horaria de demanda energética y captación con diferentes tecnologías y magnitudes. Estos parámetros fueron implementados luego en una programación en Python con cálculo solar anual en Energy Plus y un algoritmo genético para desarrollar la generación y selección de formas más óptimas. Se efectuó una calibración de la programación según casos de referencia para determinar una población de 8 generaciones y 6 evoluciones para alcanzar óptimos locales en tiempos de búsqueda razonables, con una función de ajuste que conciliara el máximo espacio ocupable, la mayor recolección energética y el menor costo constructivo. Se están desarrollando modelos a escala y un prototipo tamaño real para probar los equipos y proceso constructivo, considerando una estructura soportante de cerchas con tableros de madera laminada que otorgan un procedimiento eficaz de construcción, con menor impacto ambiental y una terminación interior más cálida, que otorga menor transmitancia térmica y acústica, y una apariencia natural que genera menor demanda energética. La programación paramétrica genera los trazados de perfiles de las piezas mayores que luego son distribuidos en los formatos de paneles para cortes en mesas de fresado con control numérico, estableciendo una codificación de piezas. Además se genera un instructivo de la secuencia de almacenaje y armado según los códigos establecidos y el registro de elementos adicionales, accesorios y uniones requeridas. Algunas adaptaciones particulares deben ser realizadas por salientes, divisiones o ventanas intermedias. El sistema de paneles híbridos, canalización, estanque, bomba y tablero de control  también es configurado según la magnitud de superficie de captación y demandas residenciales, así como el trazado interior de la vivienda para alimentación de la red de iluminación, agua y calefacción interior, además de provisión a la red pública de electricidad para aprovechar los excedentes de recolección mediante la normativa de net-meetering. La secuencia constructiva y variaciones están siendo experimentados en modelos a escala 1:25 mediante cortadoras laser. Así como también se está elaborando un prototipo a escala real de aproximadamente 15 m2, para probar el montaje, uniones e integración de los paneles en cubiertas y su desempeño mediante la alimentación de pequeños equipos de calefacción e iluminación. Además este prototipo está diseñado como demostrativo de la propuesta general de mansarda solar, con soporte para la exhibición de las maquetas, percepción del espacio interior y exhibición de la canalización y paneles, así como accesibilidad a la cubierta superior, considerando la propuesta promueve una habitabilidad de mayor altura y visibilidad del horizonte construido y paisaje natural circundante, aprovechando además la radiación solar.

RESULTADOS – La optimización paramétrica desarrollada ha permitido proponer diseños de mansarda con paneles híbridos integrados que otorgan un incremento del 25% del área habitable de la vivienda con dos a cuatro recintos adicionales, además de provisión de energía eléctrica que supera en cinco veces la demanda regular, y sobre la mitad de los requerimientos de agua potable y calefacción (un 30% en invierno y 80% en primavera/verano), que puede ser complementado con la retribución eléctrica a la red en los periodos más favorables, es decir alcanzado un desempeño cercano al cero-energía por vivienda (NZE). Mediante el desarrollo de construcción industrializada y el catastro efectuado se puede estimar que la solución es aplicable en cerca de la mitad de las viviendas de la zona, con un alcance relevante en la población de latitudes medias, las cuales combinan altas demandas energéticas con una relevante radiación solar.

DISCUSIÓN – La programación debe ser refinada en su interfaz gráfica para implementar de manera gratuita en un sitio web de difusión y verificar sus resultados de acuerdo a la aplicación y desempeño de sistemas instalados al menos un año. La aplicación del diseño propuesto depende de la participación de empresas constructoras, instaladores y proveedores adecuadamente capacitados y que confirmen la implementación dentro de los costos estimados. Considerando también la aceptación de los créditos hipotecarios posibles para masificar la propuesta dentro de condiciones financieras accesibles para la mayoría de la población. Pero se ha logrado establecer un procedimiento informático original para apoyar un crecimiento habitacional sustentable con un diseño masivo variable (mass-customization). Por otro lado, la propuesta promueve una ampliación superior de las viviendas que otorga un nuevo perfil y perspectiva residencial, con interiores más cálidos y mayores visiones del entorno, además de integrar arquitectónicamente la auto-generación energética que otorga independencia y resiliencia urbana. Diseminando una conciencia ambiental en la población y una reducción efectiva de los efectos del alto consumo energético, mediante nuevas herramientas profesionales que integran capacidades de diseño, análisis y fabricación digital.