Introducción

Actualmente, diversos estudios muestran los impactos que producen los sectores de la construcción y la edificación sobre el ambiente (IPCC 2013). En el caso de Uruguay, los sectores industriales, residencial y transporte consumen más del 80% de la energía producida (DNE-MIEM 2018).Es en este contexto que se están experimentando diversos avances y tomando medidas para reducir estos impactos. Un ejemplo relevante es la progresiva implementación en la última década del 100% de fuentes renovables para producción de energía eléctrica (DNE-MIEM 2015) llevando a Uruguay a ser considerado como uno de los países con los mayores progresos en América Latina (UDEP 2016). Otro ejemplo es el continuo desarrollo del sector forestal, la industrialización de la madera y el incremento del uso estructural de la madera, considerado además como un material de creciente interés en la construcción civil (Cortazzo 2014). En este sentido, vale destacar la Ley Forestal 15939 de 1987 (Senado y Cámara de Representantes de la República Oriental del Uruguay 1987), instrumento crucial para el desarrollo del sector, que a lo largo de más de 25 años posibilitó el crecimiento de las plantaciones renovables, cuya superficie pasó de 45000 ha a 1106819 ha entre 1990 y 2015 (MGAP 2019). Sin embargo, este crecimiento y la consecuente disponibilidad del recurso maderero no han sido acompañados de una fuerte industria destinada a producir madera estructural, ni tampoco del desarrollo de la tecnología de construcción con madera. Esta situación se evidencia en el bajo porcentaje del consumo de madera y de productos de ingeniería de madera (Engineered Wood Products-EWP) en el sector de la construcción, que en 2019 representó el 1, 25 % del total de 16000000 m³ de la madera extraída ese año (MGAP 2019). Por otra parte, resultaría beneficioso para Uruguay, la consolidación de la cadena de valor forestal-madera incluyendo la industrialización de productos que actualmente no se fabrican en el país tales como la madera contralaminada, los tableros de fibras orientadas y la madera micro laminada (Dieste et al. 2019).

En el contexto internacional, trabajos previos (Baño and Moltini 2021, Bouhala et al. 2020, Lähtinen et al. 2019, Nemry et al. 2008, Pajchrowski et al. 2014, Ramage et al. 2017, Skullestad et al. 2016) demuestran el creciente interés por la utilización de madera proveniente de fuentes renovables como material de construcción, y en particular para la construcción de edificios en altura. Nemry et al. (2008) demuestran mejoras significativas en los resultados de los impactos ambientales a través de la sustitución de algunos materiales de construcción usualmente considerados “convencionales” por productos derivados de la madera. No obstante, Ramage et al. (2017) reportan que en ocasiones estos potenciales beneficios resultan difíciles de cuantificar y generalizar.

Existen diversas metodologías y herramientas para cuantificar los impactos que producen los edificios durante su ciclo de vida, siendo la metodología de Análisis del Ciclo de Vida (ACV) una de las más utilizadas y reconocidas por la comunidad científica para ese fin (Moncaster and Song 2012). En este sentido diversos trabajos demuestran las posibilidades de aplicación del ACV para analizar, evaluar y comparar los potenciales beneficios de la madera como material de construcción (Takano et al. 2015, Vidal et al. 2019, Wijnants et al. 2019). No obstante, Pajchrowski et al. (2014) señalan a los impactos que se producen en la etapa de uso (derivados del empleo de barnices, pinturas y otros materiales de protección y preservación), como un punto débil de este material. Por su parte, Ramage et al. (2017) subrayan la necesidad de analizar los beneficios del uso de la madera teniendo en cuenta los impactos derivados de su transporte. Adicionalmente, Breton et al. (2018) alertan que dada la confianza cada vez mayor en el LCA para la toma de decisiones y diseño de políticas, una evaluación incorrecta del carbono biogénico en los materiales podría conducir a estrategias contraproducentes. En la misma línea, Soust-Verdaguer et al. (2020) señalan que la estimación del carbono biogénico en los productos de madera representa una oportunidad para incorporar a este tipo de métodos enfocados en la fase de diseño. En el contexto actual, existe un creciente desarrollo de trabajos que demuestran las potencialidades del uso de la metodología Building Information Modelling (BIM) como instrumento de ayuda para las edificaciones y obras de construcción sostenibles. Muchos de ellos son utilizados para optimizar el desempeño del edificio y reducir sus impactos ambientales a través de la implementación de métodos basados en el ACV (Obrecht et al. 2020). En este sentido, diversos trabajos (Peng 2014, Soust-Verdaguer et al. 2017) señalan como algunas de las dificultades derivadas de la integración de ambas metodologías (BIM-ACV), la insuficiencia de los datos contenidos en los modelos BIM para llevar adelante el ACV. Por ello Soust-Verdaguer et al. (2018) desarrollaron un marco metodológico que permitió enriquecer los datos incluidos en BIM como instrumento de ayuda en el diseño de envolventes de viviendas unifamiliares en Uruguay. Posteriormente, un método similar fue llevado a cabo por Soust-Verdaguer et al. (2020) para comparar viviendas que emplean tecnologías y materiales tradicionales frente a una alternativa que utiliza la madera como material de construcción. Estos avances metodológicos, sumado a los devenidos de la generación de electricidad a partir de fuentes renovables, al incremento de la superficie forestada y el potencial de producción de materiales biodegradables, permiten visualizar a Uruguay como campo fértil para la experimentación e identificación de oportunidades de innovación para reducir los impactos ambientales que producen los edificios en el contexto uruguayo.

El objetivo de este trabajo es la evaluación de los impactos ambientales que produce una vivienda en madera desarrollada en el contexto de Uruguay mediante la aplicación de la metodología del ACV. Una de las novedades que se presenta radica en el desarrollo de un método para estimar los impactos producidos durante el ciclo de vida completo de edificios construidos en madera en el contexto uruguayo, que pueda ser aplicado durante las fases de diseño e integrado en plataformas BIM. Otra novedad es la adaptación regional de los datos a utilizar y la estimación del carbono biogénico contenido en los productos de madera, señalado anteriormente.

Método

El método propuesto se define atendiendo al cumplimiento de las normas técnicas ISO 14040 (2006b), ISO 14044 (2006a), ISO 21930 (2017), ISO 21931-1 (2019), y a trabajos previos (Soust-Verdaguer et al. 2020, Soust-Verdaguer et al. 2018). La aplicación del ACV se desarrolla siguiendo las cuatro fases definidas por la ISO 14040-2006 (2006b): definición del alcance y objetivos, elaboración del inventario del ciclo de vida, análisis del inventario del ciclo de vida, e interpretación de los resultados. El método se concibe como un “puente” entre la metodología BIM y el ACV, y tiene como objetivo principal solventar la falta de datos para llevar adelante el ACV en el entorno BIM (Soust-Verdaguer et al. 2020).

Por otra parte, el método propuesto busca integrar las características del caso de estudio, para verificar durante la fase de diseño los potenciales impactos que produciría una vivienda construida en madera durante su ciclo de vida. Cabe señalar que resulta preciso realizar diversas simplificaciones, suposiciones e hipótesis. La verificación experimental se desarrolló en ArchiCAD 19 (Graphisoft 2017). A nivel operativo, para el cálculo de los impactos ambientales se utilizaron planillas de cálculo de Microsoft Excel 365 vinculadas automáticamente a los datos del modelo BIM (cantidades de materiales) para obtener en tiempo real, los resultados de los impactos ambientales que producen los materiales y los elementos constructivos contenidos en el modelo BIM de la vivienda. Vale señalar que, en esta metodología, “tiempo real” se refiere al tiempo en sincronía con la fase de diseño, es decir que no se requiere de un tiempo adicional para realizar los cálculos de los impactos ambientales, una vez finalizado el diseño del modelo BIM.

Caso de estudio

Para el desarrollo del trabajo se seleccionó “La Casa Uruguaya” (LCU) (Universidad ORT Uruguay 2015), como modelo de referencia sobre la utilización de madera en el desarrollo de una vivienda. LCU, fue diseñada por estudiantes de arquitectura aplicando criterios de sostenibilidad que le permitieron ganar el Primer Premio en el concurso Solar Decathlon Latinoamérica 2015. La vivienda se instaló inicialmente y en forma temporal, en Santiago de Cali, y luego definitivamente en Montevideo, por lo que para este estudio se consideró el contexto de Montevideo como su lugar de emplazamiento. LCU tiene tres dormitorios, una superficie útil de 63 m² aprox. y está construida enteramente (estructura y cerramientos) en madera (Tabla 1). La Figura 1 muestra una vista del modelo en 3D desarrollado en BIM, para el desarrollo de este método.

Aplicación del método al caso de estudio

Definición del alcance y objetivo

De acuerdo con la ISO 21930 (2017) el objeto de la evaluación abarca los procesos desde la cuna a la tumba (“cradle-to-grave”), incluyendo el ciclo de vida completo de la vivienda y considerando los módulos del ciclo de vida especificados en la Tabla 2. La unidad funcional considerada fue de 1 m² de superficie útil de edificio acondicionado con una vida útil de 60 años, valor tomado como referencia a partir de trabajos similares desarrollados en este contexto (Pelufo 2011). El modelo BIM utilizado para desarrollar el ACV incluyó los siguientes sistemas constructivos: Envolvente, Estructura, Terminaciones y Particiones interiores. Los elementos y materiales constructivos incluidos en la evaluación se describen en la Tabla 1.

Inventario del ciclo de vida

Para la elaboración del inventario del ciclo de vida se partió del modelo BIM desarrollado en ArchiCAD 19 (Graphisoft 2017), desde donde se extrajo de forma automática un listado con las cantidades de materiales y componentes, que fue de nominado “Cuantificación inicial de los materiales”. Posteriormente estos datos fueron enriquecidos mediante el desarrollo del llamado “Datos complementarios. Biblioteca de materiales”. A continuación, estos datos enriquecidos formaron parte de la “Cuantificación final de los materiales”. El resto de los datos complementarios y cálculos fueron organizados de acuerdo con el esquema de la Figura 2.

Los Datos Complementarios para llevar adelante la aplicación del ACV, contenidos en la biblioteca de materiales, se desarrollaron a partir de la definición de los escenarios del ciclo de vida considerando las prácticas actuales, es decir, las más frecuentes en el contexto de referencia, y considerando trabajos previos sobre la temática. Las variables existentes se ajustaron lo máximo posible al escenario actual y al potencialmente futuro, en el que se inserta la vivienda LCU. Estos escenarios que incluyen, mantenimiento, reparación, rehabilitación y sustitución de la vivienda, así como los períodos de estudio de referencia de los materiales y componentes utilizados, se definieron a partir de trabajos previos desarrollados en el contexto uruguayo y latinoamericano (Casañas 2011, Mimbacas 2012, Pelufo 2011, Soust-Verdaguer 2017). Los datos relativos a los impactos producidos durante la etapa de producto fueron obtenidos de la base de datos ambientales Ecoinvent versión v.3.7.1 (Ecoinvent 2020), la más utilizada a nivel mundial en el ACV de esta tipología (Soust-Verdaguer et al. 2016). Para la selección de los procesos unitarios se ha priorizado la utilización de datos regionales (Uruguay, Brasil y Argentina), así como datos globales. En última instancia se han utilizado datos promedio de Europa o datos específicos de Suiza (los más frecuentes en la base de datos Ecoinvent). Como escenario de fin de ciclo de vida se consideró la disposición en vertedero de los residuos, la práctica más habitual en este contexto según (Fichtner-LKSUR Asociados 2004). No obstante, se consideró el escenario de la incineración de la madera y los productos derivados de la madera para la etapa final del ciclo de vida, asumiéndose la caracterización de los flujos de carbono y la neutralidad de carbono que propone la norma EN 16485 (2014a). La estimación del carbono biogénico contenido en la madera y los productos de la madera y su conversión en emisiones de CO₂ se realizó de acuerdo con la norma EN 16449 (2014b), la cual considera la aproximación -1/+1 (estática) para la cuantificación del carbono biogénico según lo define Hoxha et al. (2020).

El cálculo de los Flujos energéticos se realizó mediante el siguiente procedimiento. Para la cuantificación de la Energía operacional en etapa de uso, serealizó una simulación y cálculo del desempeño energético de la vivienda durante su ciclo de vida, independientemente en Design Builder (Tindale 2005) de acuerdo con las especificaciones de Soust-Verdaguer (2017). Para la demanda energética promedio (invierno/verano) se tomó un valor de 57 kWh/m²/año, considerado como base para el cálculo de los impactos producidos durante el ciclo de vida de LCU. Para la cuantificación de la demanda energética sea sumió que la principal fuente de producción de energía de las viviendas unifamiliares es la energía eléctrica (Ministerio de Industria Energía y Minería 2015). Para la producción de electricidad para energía primaria, calefacción y refrigeración en fase de uso, se asumió que es realiza a través de la red eléctrica nacional, mediante las siguientes fuentes de producción: 61% hidroeléctrica, 17% eólica, 15% biomasa, 6,6 % fueloil y 0,4 % solar fotovoltaica (DNE-MIEM 2015). Finalmente, el cálculo de los consumos energéticos (electricidad y combustible) durante la fase de construcción y deconstrucción se desarrolló mediante estimaciones extraídas a partir de Kellenberger et al. (2007).

Evaluación del inventario del ciclo de vida

Las categorías de impacto seleccionadas y los métodos de evaluación de los impactos fueron los siguientes: i) Potencial de Calentamiento Global (Global Warming Potential- GWP), la más utilizada en el ACV de viviendas unifamiliares (Soust-Verdaguer et al. 2016), cuantificada de acuerdo con el IPCC (2013), ii) Potencial de Acidificación (Terrestrial Acidification Potentia-TAP), iii) Potencial de Eutrofización (Freshwater Eutrophication Potential-FEP), iv) Ecotoxicidad del Agua (Freshwater Eco Toxicity Potential-FETP), v) Toxicidad Humana (Human Toxicity (HT)) y vi) Potencial del Agotamiento del Ozono (Ozone Depletion Potential-OPD); y los cinco últimos evaluados mediante el método ReCiPe V 1.13 Midpoint (H) (Huijbregts et al. 2020). Estas categorías de impacto fueron seleccionadas dada su relevancia para el contexto de referencia según se detalla en Soust-Verdaguer (2017).

Resultados y discusión

La Figura 3 y Figura 4 muestran los resultados para las categorías de impacto analizadas, donde se visualizan los impactos de acuerdo con las fases del ciclo de vida detalladas en la Figura 2. Se puede observarla heterogeneidad en los impactos producidos por la vivienda LCU dependiendo de las fases del ciclo de vida y la categoría de impacto ambiental considerada. Los resultados de los impactos se muestran por metro cuadrado de superficie útil de vivienda, considerando una vida útil de 60 años.

Para todas las categorías de impacto, la etapa de uso (B2-B4, B6) fue la de mayor incidencia total, donde los impactos asociados al consumo energético en fase de uso (B6) y los impactos derivados del mantenimiento (B2), la reparación (B3) y la sustitución (B4) fueron relevantes. En ese sentido, la importancia de la elección de los materiales en el cómputo total de los potenciales impactos que producen no sólo en la etapa de producto (A1-A3) sino a lo largo del ciclo de vida de LCU, resulta evidente. Explica además la relevancia de los impactos (futuros) que tendrá el uso de la madera en relación con el uso periódico de pinturas para su mantenimiento y reparación. En este caso en particular ha incidido negativamente en los resultados el uso de disolventes y pinturas alquídicas para el tratamiento de la madera.

Por otra parte, cabe destacar que a diferencia de otros estudios (Takano et al. 2015) que se apoyan en el ACV de viviendas de madera para cuantificar sus impactos ambientales, es posible comprobar la relevancia de la fase de producto y de uso referidas al mantenimiento, la reparación y la sustitución (B2-B4), frente a la de energía operacional (B6) que suele ser la más elevada. Por ejemplo, en el caso de (Takano et al. 2015) los valores obtenidos para el GWP en el módulo de energía operacional (B6) alcanzan casi tres veces los impactos producidos en la fase de producto, mientras que en el presente trabajo no alcanzan a superar el doble (Figura 3). Esto se debe a las características de la vivienda en relación con el contexto, las cuales determinan la demanda energética en fase operacional, y a la matriz energética utilizada para el cálculo de los impactos. Por otra parte, si consideramos un tipo similar de vivienda construida en el contexto Latinoamericano (1 planta y 62 m² construidos), en el trabajo de Oyarzo et al. (2014) se reporta la elevada incidencia de la fase de uso en el balance global de energía primaria, resultados que son concordantes con los encontrados en el presente estudio. En el caso de LCU se puede comprobar cómo afecta positivamente en todas las categorías de impacto analizadas, el poseer una matriz energética fuertemente compuesta por fuentes de generación de energía mayoritariamente renovables. Adicionalmente, destaca la baja incidencia (2 % -3%) de la fase de transporte a la obra (A4), demostrando que el uso de la materia prima (madera de producción nacional) permite reducir los impactos producidos.

La integración de forma separada del contenido de carbono biogénico permite identificar de forma clara cuál será el potencial de captura de CO₂ derivado del uso de la madera y de los productos de la madera que utiliza la vivienda. Por otra parte, dependiendo del escenario de fin de vida que se asuma se podrá determinar la cantidad de emisiones derivadas de la incineración que podrían ser recuperadas mediante la generación de energía (beneficios ambientales cuantificados en el Módulo D). No obstante, la aproximación utilizada para el cálculo del carbono biogénico (estática) podría presentar limitaciones en cuanto a la consideración del uso del suelo y al cambio del uso del suelo (Land Use and Land-Use Change (LULUC)) de acuerdo con lo descrito en Hoxha et al. (2020). Esas limitaciones podrían resolverse incorporando en las estimaciones en la fase de diseño, aproximaciones dinámicas que hayan sido previamente simplificadas. Otra limitación detectada en este método está relacionada con las categorías de impacto y los indicadores seleccionados para calcular los impactos ambientales. Indicadores que describen el uso de recursos, renovables y no renovables, información ambiental adicional como la generación de residuos peligrosos y no peligrosos, y la polución del aire, entre otros, podrían ser considerados en el método. Varios de estos indicadores han sido empleados para la evaluación de viviendas en madera (Takano et al. 2015, Oyarzo y Peuportier 2014, Garay et al. 2021), y algunos de elloshan sido recogidos en la norma ISO 21930 (2017) como indicadores no estrictamente derivados del ACV. La incorporación de estos indicadores durante la fase de diseño aportará información valiosa para la toma de decisiones por parte del diseñador. Por otra parte, ha sido posible comprobar que la metodología desarrollada en este trabajo presenta potencialidades para ser aplicada en otros contextos y ámbitos geográficos. Las hipótesis para la definición de escenarios y los criterios para la incorporación de datos sobre las características del contexto analizado pueden ser utilizados para cuantificar los impactos ambientales durante la fase de diseño de viviendas unifamiliares de madera en contextos diferentes al del presente estudio. Finalmente, los resultados muestran las posibilidades del método que integra el ACV en BIM, para estimar de forma sencilla desde las fases de diseño, los impactos potenciales que produce una vivienda construida en madera en Uruguay.

Conclusiones

Este trabajo presenta el cálculo de los impactos ambientales producidos por una vivienda construida con madera, aplicando la metodología de ACV integrada en BIM e incluyendo la estimación de carbono biogénico descrita en la normativa de referencia.

Para las categorías de impacto estudiadas, la etapa de uso del ciclo de vida, de consumo energético B6, de mantenimiento, B2 de reparación, B3 y de sustitución B4, y en segundo lugar la etapa de producto A1-A3, resultaron las más relevantes. En el caso de estudio se observó la gran incidencia de la elección del material madera, en los impactos posteriores producidos en la etapa de uso B2-B5, debido al empleo de pinturas y disolventes para su conservación y mantenimiento. La sustitución de estos productos nocivos para la preservación y el mantenimiento de la madera, por otros de menor toxicidad, podría derivar en reducciones sustanciales de los impactos producidos en la etapa de uso.

Adicionalmente, vale señalar que los resultados de este estudio sugieren que la metodología desarrollada presenta potencialidades para ser aplicada en otros contextos y ámbitos geográficos. Las hipótesis para definir escenarios y los criterios para incorporar datos sobre las características del contexto pueden ser utilizados para la cuantificación de los impactos ambientales durante la fase de diseño de viviendas unifamiliares ende madera en contextos diferentes al de este estudio. Para futuros trabajos, se recomienda aumentar la base de datos, continuar el desarrollo de hipótesis de cálculo de impactos ambientales centrados en escenarios adaptados al contexto uruguayo, y la correspondiente validación y estandarización.

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Notas de autor

^♠Corresponding author: bsoust@us.es