ClimaNoticias - 162

CLIMANOTICIAS

Nº 162 Noviembre 2009

Nº162 especial monográfico

AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA Normativa en el sector de climatización

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La tecnología al servicio del ahorro. Gestión Técnica Centralizada Vivienda EE+. La casa pasiva en el Mediterráneo La eficiencia energética del generador de calor y la tecnología de condensación Ahorro energético en equipos de climatización.

Un ejemplo tecnológico Investigación, Desarrollo y Control de los cinco prototipos de Pse-arfrisol Eficiencia energética por implantación de un sistema de gestión centralizado Tecnologías de ahorro energético en acs Bombas de calor geotérmicas acopladas con el terreno

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sumario Nº 162 Especial monográfico

Normativa en el sector de climatización

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Secretaría técnica de ATECYR

Santiago González Marbán Director Oficina Técnica, DAIKIN AC SPAIN

La tecnología al servicio del ahorro.

Gestión Técnica Centralizada

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Nestor Udaondo Jefe de Producto Regulación, Control y Medición de Energía SEDICAL

Ahorro energético en equipos de climatización.

Un ejemplo tecnológico

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Investigación, Desarrollo y Control de los cinco prototipos de Pse-arfrisol María del Rosario Heras, Jose Antonio Ferrer, Julio José Pérez, Silvia Soutillo, Cristina San Juan, Jesús Heras Unidad de Eficiencia Energética en la Edificación, CIEMAT

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Vivienda EE+. La casa pasiva en el Mediterráneo

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Víctor Galarza Jefe de Producto Sistemas de Eficiencia Energética para Vivienda Unifamiliar SAUNIER DUVAL

Eficiencia energética por implantación de un sistema de gestión centralizado Sergi Esteve Director de Marketing-Competence Center SAUTER IBÉRICA

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Tecnologías de ahorro energético en acs Aurelio Lanchas González Jefe de Producto COINTRA

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La eficiencia energética del generador de calor y la tecnología de condensación

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Manuel Ruiz Responsable de formación y soporte técnico BOSCH TERMOTECNIA

CLIMANOTICIAS ÓRGANO INFORMATIVO OFICIAL DE CNI

CETISA EDITORES Avda. Manoteras, 44 • 28050 Madrid Tel.: 91 297 20 00 • Fax: 91 297 21 52 madrid@cetisa.com - www.cetisa.com

Director General: Antonio Piqué Delegada Cataluña: Mª Cruz Álvarez Depósito Legal: M-40874-94 • ISSN: 1575 - 6610 Imprenta: GAMA COLOR At. al suscriptor: 902 999 829 mail: suscripciones@tecnipublicaciones.com

Bombas de calor geotérmicas acopladas con el terreno Raúl Tubío, Product Manager Agua Miguel Zamora, Responsable de I+D+i CIATESA

REDACCIÓN

Editora Jefa: Patricia Rial Directora: Milagros Plaza mplaza@cetisa.com Redacción: Jorge Megías, Montse Bueno, María Martínez, Paco Florido Fotografía: Departamento propio. Diseño: José Manuel González Maquetación: Martín García. Coordinadora de publicidad: Antonia Borja PUBLICIDAD: Madrid: José Mª García Tel.: 91 297 20 72 - Miguel A. López de Egea Tel.: 91 297 20 69 Barcelona: Raquel Cortinas. Tel.: 93 243 10 40 Los anunciantes son los únicos responsables de sus originales. Los artículos firmados son responsabilidad de los autores. Reservados los derechos de reproducción, publicación, préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión del uso del ejemplar para todos los países e idiomas. Copyright by CETISA EDITORES Barcelona 2002

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especial monográfico

artículo técnico artícu

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NORMATIVA EN EL SECTOR DE CLIMATIZACIÓN por

Secretaría técnica de Atecyr

En los últimos años hemos visto cómo ha ido cambiando la legislación española en materia de edificación, con la aprobación de nuevos Reglamentos, el Código Técnico de la Edificación (RD 314/2006 aprobado el 28 de marzo de 2006), el nuevo Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios (RITE; Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio), y el Real Decreto 47/2007, de 19 de enero, por el que se aprueba el Procedimiento Básico para la Certificación de Eficiencia Energética de edificios de nueva construcción, todos ellos con el objetivo de conseguir un consumo de energía primaria sostenible.

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ara completar la trasposición total de la Directiva Europea, queda por publicar el Real Decreto sobre el procedimiento para la certificación energética de edificios ya construidos (borrador que ya se encuentra en Bruselas tras someterse a información pública y recopilar todos los comentarios de los agentes intervinientes).

Con todo esto, la situación o panorama del sector, está en una clara fase de asimilación y preparación de técnicos, que deben adecuarse a las nuevas exigencias. España como estado miembro de la Comunidad Europea debe adaptar su legislación a las directivas marcadas por el estado europeo.

Una de estas directivas es la Directiva 2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 16 de diciembre de 2002 relativa a la eficiencia energética de los edificios.

Los Estados miembros pondrán en vigor las disposiciones legales, reglamentarias y administrativas necesarias para dar cumplimiento a esta Directiva a más tardar el 4 de enero de 2006 (aún hoy existen partes de la Directiva que no están traspuestas).

Debido a ello, todos los edificios deben

poseer un certificado de eficiencia energética que evalúe las emisiones estimadas de dióxido de carbono de procedencia fósil (petróleo, carbón, etc.) emitido por el consumo de energía de las instalaciones de climatización, agua caliente sanitaria e iluminación de los edificios. Por supuesto, el objetivo final de la Directiva es reducir las emisiones de dióxido de carbono.

Más detalladamente, en España, tenemos el siguiente mapa legislativo: • REAL DECRETO 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. En este Real Decreto existe un Documento Básico de Ahorro de Energía con cinco secciones: - DB HE-1, trata la Limitación de la Demanda Energética de la envolvente de los edificios.

- DB HE-2, Deriva al Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios.

- DB HE-3 trata la eficiencia energética de los sistemas de iluminación.

Ahorro y eficiencia energética

- DB HE-4 trata la contribución mínima de energía para el servicio de agua caliente sanitaria que debe aportarse por paneles solares fototérmicos.

- DB HE-5 trata de la cantidad de energía que se debe generar en los edificios (terciarios) por paneles solares fotovoltaicos.

• REAL DECRETO 1027/2007, de 20 de julio, por el que se aprueba el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios.

• REAL DECRETO 47/2007, de 19 de enero, por el que se aprueba el Procedimiento básico para la certificación de eficiencia energética de edificios de nueva construcción.

Está claro que el primer Decreto pretende reducir la demanda energética y aumentar la eficiencia energética de las instalaciones y de iluminación de los edificios y fomentar la utilización de energías renovables, el segundo pretende que las instalaciones de climatización y ACS sean seguras, den bienestar térmico y sean energéticamente eficientes y el tercero pretende identificar los edificios (envolvente + instalaciones) que emitan menos dióxido de carbono fósil a la atmósfera.

Es evidente entonces la relación que tienen los dos primeros reales decretos con el tercero; Demanda ηsistema

= consumo

En este sentido, los técnicos están teniendo verdaderas dificultades en intentar cumplir una legislación marcada por prestaciones. Se deben cumplir unas exigencias básicas sin truncar nunca el desarrollo de nuevas tecnologías o ideas de diseño, pero ineludiblemente tienen que estar basadas en cálculos de simulación energética anual gestionados por programas informáticos. Dicho de otra forma, no sólo es importante diseñar las instalaciones y equipos por un lado y la arquitectura por otro, sino cómo se va a comportar el conjunto a lo largo de un año meteorológico medio desde el punto de vista energético y medioambiental (qué servicio nos da: frío, calor, ventilación, ACS e iluminación y a qué coste ambiental).

La Administración ofrece programas gratuitos, el Lider, programa reconocido para cumplimentar el Apartado 1 (Limitación de la Demanda Energética) del Documento Básico de Ahorro de Energía (HE) y los Calener’s ( VyP y GT),

programas reconocidos para calificar energéticamente los edificios de nueva construcción.

Desafortunadamente, no están siendo lo versátiles y útiles que sería deseable.

Así, los usuarios están teniendo verdaderos problemas en tres aspectos fundamentalmente: 1. Lentitud en realizar los cálculos, teniendo incluso que esperar dos horas a que te devuelva un resultado, no siendo además nada generoso en los resultados que te da, limitándose por ejemplo en el caso del Lider a decirte si cumple o no cumple.

2. No existe un centro oficial donde se pueda uno dirigir para posibles dudas o problemas de interpretación.

3. No todas las soluciones arquitectónicas que se ejecutan o los sistemas que pueden instalarse son contemplados por estas herramientas, no existiendo además alternativas posibles por parte de la administración.

Cerma, un método simplificado Para facilitar el trabajo de los técnicos, la Asociación Técnica Española de Climatización y Refrigeración (Atecyr) y el Instituto Valenciano de la Edificación (IVE), han elaborado un “Procedimiento Abreviado para la Estimación de la Calificación Energética en Edificios de Viviendas de Nueva Construcción” (Cerma), con la colaboración técnica del grupo Fredsol del departamento de Termodinámica Aplicada de la Universidad Politécnica de Valencia, que encaja dentro de la publicación del RD 47/2007.

“La situación o panorama del sector está en una clara fase de asimilación y preparación de técnicos, que deben adecuarse a las nuevas exigencias” Es un método simplificado para la calificación de edificios residenciales de nueva construcción, válido en toda la geografía española como Procedimiento Alternativo, pendiente de aprobación por parte de la Administración.

El desarrollo de esta herramienta ha contado con el apoyo técnico y financiero de la Generalitat Valenciana a través de la Dirección General de Vivienda y Proyectos.

El objetivo de Cerma es, mediante un sencillo proceso no gráfico de introducción de datos, realizar una rápida estimación de la letra de Calificación de Eficiencia Energética que se climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico obtendría con la aplicación del Real Decreto 47/2007 utilizando las herramientas ofrecidas por el Ministerio de Industria, y ofrecer al usuario soluciones de mejora que permitan reducir de forma eficiente el consumo energético del edificio.

Esta Aplicación, desarrollada para la calificación energética de edificios del sector residencial, ayuda al diseño energético y permite analizar mejoras de la calificación general y ayuda al cumplimiento del RITE por cuanto estima consumos anuales y mensuales.

El programa es gratuito y está disponible para su descarga en las páginas web de ATECYR ( www.atecyr.es) y del IVE (www.five.es), y actualmente ha pasado un periodo de información pública para poder ser un documento de certificación reconocido por la administración para todo el territorio español.

Este procedimiento puede ser aplicado igualmente para edificios existentes cuando la calificación obtenida es superior a la E. En este último caso la administración debe especificar el corte (emisiones kgCO2/m2 para edificios de viviendas unifamiliares y en bloque) entre las certificaciones E, F y G, y se podrá incorporar inmediatamente al programa simplificado.

Los objetivos propuestos con el programa Cerma son los siguientes: • Predicción aproximada de la certificación energética que produce el programa Calener VyP para vivienda residencial con un conjunto muy limitado de datos de partida.

• Obtener un límite inferior de la certificación con el fin de asegurar que mediante el procedimiento asumido tácitamente como patrón (esto es, el uso de Calener VyP) la calificación obtenida sea igual o inferior.

• Obtener el detalle de las certificaciones asignadas a calefacción, refrigeración y Acs, tanto a nivel de demanda como de sistemas, tal y como facilita los resultados el programa Calener VyP. • Obtener el detalle de emisiones asociadas a cada uno de los elementos del edificio (cerramientos, huecos,…) medidos en (kgCO2/m2año), con el fin de analizar los puntos más débiles del mismo y poder así disminuir las anteriores emisiones a partir de dichos elementos.

• Obtener la demanda mensual y anual de energía de calefacción, refrigeración y Acs. • Obtener el consumo de energía (energía final) mensual y anual de energía de calefacción, refrigeración y Acs. 6

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• Obtener las emisiones de CO2 mensual y anual de calefacción, refrigeración y Acs (para cumplir la exigencia del Rite).

• Analizar mejoras de la calificación basadas en la demanda y consumo de los sistemas, a través de su repercusión en la calificación final obtenida (letra alcanzable).

Una de las características del programa Cerma es su rapidez de cálculo, independiente mente del tamaño del edificio a calificar, no más de 30 segundos, debido a que éste realiza una presimulación (mediante funciones de transferencia) del calor transferido por los cerramientos opacos y por los cerramientos semitransparentes con la consideración de locales a temperatura constante de bienestar térmico marcado por el código técnico.

El programa Cerma aunque es un método abreviado realiza una simulación horaria de la demanda y consumo de energía del edificio como lo hacen los programas reconocidos por tanto si tiene en consideración la inercia térmica del edificio (mediante funciones de transferencia de cerramientos, muebles, etc.…), aproximando tanto cantidad de muebles, puentes térmicos, etc.…y finalmente considerando todo el edificio como una única zona térmica.

El programa realiza una estimación de la energía total a compensar por los equipos, en cada intervalo y mes, asignando cargas parciales y prestaciones a los equipos convirtiéndolos a emisiones de CO2 en función del tipo y cantidad de energía consumida acorde a los factores de conversión oficiales marcados por la administración (los mismos que utilizan los programas reconocidos).

Un atractivo del programa es que realiza una asignación orientativa de las emisiones de CO2 a los diferentes elementos que contribuyen a la producción total de CO2, que es el objetivo real de la calificación y hace los resultados independientes de confusas y arbitrarias valoraciones económicas- que sin duda se pueden aplicar a posteriori para estimar la relación coste/beneficios ambiental-. Además realiza una previsión del comportamiento del edificio/sistema ante diferentes mejoras referidas al edificio (aislamientos, acristalamientos,...) y a los sistemas (cambio de sistema, mejor prestaciones de los mismos en base a su rendimiento medio estacional,…)

El programa emite dos tipos de calificaciones: • Una asignación de la certificación que se espera. Se define como el valor probable que se obtuviera si dicha asignación se realizara a través del programa oficial Calener VyP.

Ahorro y eficiencia energética

• Un límite inferior de incertidumbre para la calificación (cumpliéndose para los 504 casos estudiados en la validación). Este valor será la certificación oficial con este método y representa un valor siempre conservador respecto al resultado asumido tácitamente como patrón (Calener VyP).

Se ha intentado que la entrada de datos al programa sea lo más amigable posible y que el usuario posea esos datos de manera directa sin tener que recabar ni dedicar mucho tiempo al edificio objeto de estudio. Los datos se irán introduciendo a través de seis pestañas, requiriendo datos globales, de la zona climática, transmitancia térmica de cerramientos y huecos (también de las proyecciones de sombra sobre estos huecos) y finalmente la introducción de los sistemas.

tañas el programa tiene tres pestañas más donde ofrece la calificación del edificio, las mejoras previsibles tanto de la envolvente térmica del edificio como de sus sistemas.

Así se facilita la letra independiente de cada contribución (calefacción, refrigeración y Acs) y la suma o certificación global. Este valor se define como certificación previsible (Valor aproximado que ofrecería el edificio/ instalación en caso de haber utilizado el Calener VyP, en la figura-3 C 24,3).)

Igualmente se indica el límite máximo (o calificación propuesta mediante este procedimiento) en el que se puede asegurar que la letra real (mediante el programa Calener VyP) no ha sido sobrepasada en los 504 casos estudiados (en la figura-3 D 26,3).

Figura-3: Pestaña de resultados Figura-1: Pestaña de introducción de cerramientos opacos Muros

En la figura 4 se muestra la salida de emisiones mensuales y anuales del edificio, pudiéndose obtener de forma inmediata también el consumo de energía final y primaria:

Figura-2: Pantalla de introducción de datos de los sistemas.

Una vez definido el edificio a certificar a través de rellenar todas la anteriores pes-

Figura-4: Análisis mensual de energía y demanda

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artículo técnico En cuanto a análisis de resultados podemos observar (figura-5) las asignaciones a

los diferentes hechos que dan lugar a la emisión total, pudiendo ayudar al técnico a mejorar exclusivamente aquel componente del edificio que mayor emisión de dióxido de carbono le corresponde.

Otro atractivo del programa y de gran utilidad de cara a mejorar un certificado de eficiencia energética es el estudio de mejoras en la envolvente en relación con la calidad alcanzada de mejora, tanto de la demanda como de las prestaciones de los sistemas.(ver figura 6).

Ampliación del Cerma Actualmente se está desarrollando una ampliación del Cerma, que tenga en consideración con más detalle las infiltraciones de los huecos y el análisis de los puentes térmicos. Además se está intentando que el programa pueda servir para la rehabilitación de edificios existentes, pues va a tener la posibilidad de comparar dos edificios y poder utilizarlo para estrategias de subvenciones a edificios mejores energéticamente.

Asimismo tenemos la intención de elaborar un programa Cerma para pequeños edificios terciarios y que pueda cumplir la sección 1, Limitación de la Demanda Energética, del Documento Básico de Ahorro de Energía, del Código Técnico de la Edificación por la vía general. ■

Figuras 5: Kg CO2 asignados a cada parte de la envolvente

Figuras-6: Acciones para mejorar la certificación energética original

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especial monográfico

artículo técnico artícu

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LA TECNOLOGÍA AL SERVICIO DEL AHORRO. GESTIÓN TÉCNICA CENTRALIZADA por Nestor Udaondo Jefe de Producto Regulación, Control y Medición de Energía SE DICAL

El objetivo de un sistema de Gestión Técnica Centralizada (GTC) es centralizar y simplificar la monitorización, manejo y gestión de uno o varios edificios. El motivo último para su implantación es conseguir una mayor eficiencia en el funcionamiento del edificio con un consumo energético y un esfuerzo de mantenimiento mínimos, proporcionando un entorno seguro y confortable a los ocupantes del edificio.

E

n el proceso de alcanzar estos objetivos, la GTC ha evolucionado desde una simple supervisión del control a un sistema totalmente integrado y computerizado de todos los elementos que conforman los servicios de un edificio. Algunas de las ventajas que ofrece un sistema de GTC son: ◗ Facilidad de operación de funciones rutinarias y repetitivas mediante programación automática. ◗ Reducción del tiempo de formación de los operadores del sistema mediante instrucciones en pantalla y representación gráfica de los distintos componentes del sistema con valores en tiempo real. ◗ Mejores tiempos de respuesta a las necesidades de los usuarios o ante situaciones anómalas. ◗ Reducción de costes energéticos gracias a la gestión y control de los programas de gestión energética. ◗ Explotación óptima de la instalación mediante registros históricos, progra-

mas de gestión de mantenimiento y generación automática de alarmas. ◗ Flexibilidad en la programación de las necesidades de la instalación cuando se requiere una reorganización o expansión de la misma. ◗ Almacenaje del histórico de los costes operacionales para el reparto de los mismos sobre los centros de coste y/o facturación al usuario final. ◗ Funcionamiento optimizado mediante la integración hardware y software de diferentes subsistemas como son, típicamente, climatización, iluminación, sistemas antiincendios, control de accesos y seguridad.

CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA GTC La realización de un sistema GTC conlleva la configuración de todo el equipo hardware y software necesario así como el/los sistema/s de comunicación necesario/s para acceder a todos los datos de uno o varios edificios en modo local o remoto.

Ahorro y eficiencia energética

La popularización de los controladores con microprocesador ha conducido a la GTC a una configuración en capas o niveles jerárquicos.

Podríamos dividir el sistema en cuatro niveles: ◗ Nivel de gestión. ◗ Nivel de monitorización y operación. ◗ Nivel de control. ◗ Nivel de zona.

En cada instalación, la presencia de todos o de algunos de estos niveles depende de las necesidades específicas y la complejidad del edificio.

En general, a mayor complejidad mayor presencia de niveles y más clara la separación funcional y lógica entre cada uno de ellos. Se puede decir que un sistema bien estructurado y planificado es un sistema perfectamente jerarquizado.

Nivel de zona Los controladores del nivel de zona son controladores microprocesados para realizar un control DDC de equipos específicos. Estos

controladores, que suelen tener algoritmos de gestión energética, están diseñados para equipos específicos tales como fancoils, cajas VAV, inductores, techo frío, etc. y se parametrizan en la puesta en marcha para cumplir los requerimientos de proyecto. En este nivel, sensores y actuadores se conectan directamente a los equipos de control o a módulos de entradas/salidas de “inteligencia limitada” cuya función es actuar de interfaz entre el mundo físico y el nivel de control. Un bus de comunicación interconecta este nivel de forma que la información pueda compartirse entre los controladores de este nivel y con los niveles superiores.

Nivel de control Los controladores microprocesados del nivel de control tienen mayor capacidad que los del nivel de zona en términos de número de puntos de entrada/salida, lazos DDC y programas de control. En este nivel, los controladores suelen aplicarse a sistemas climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico mecánicos más grandes como UTAs complejas, sistemas centrales VAV, plantas de producción de frío y calor, y sistemas de iluminación, entre otros. Se interactúa con los equipos controlados a través de sondas y actuadores situados en los mismos o mediante los controladores del nivel de zona.

Cuando existe un nivel superior de monitorización, los cambios de parámetros de funcionamiento y reprogramación de estrategias se vuelcan desde éste al nivel de control. La integración con otros sistemas y/o protocolos se puede realizar en este nivel utilizando los gateways y routers necesarios.

Nivel de monitorización y operación Este nivel proporciona la interfaz al operador del sistema GTC. En este nivel se encuentran las estaciones de trabajo (clientes) que se conectan al servidor o servidores (en el caso de que la integración con otros subsistemas se realice en este nivel). Las funciones que típicamente proporciona suelen ser:

◗ Seguridad de acceso: sólo permite acceso al sistema al personal autorizado. ◗ Seguridad de operación: el acceso y la manipulación de los diferentes subsistemas y puntos está personalizada para cada operador del sistema. ◗ Programación a medida: desarrollo de programas DDC específicos y de horarios de activación/desactivación de equipos para su volcado a los niveles de control y zona. ◗ Entorno gráfico: creación de entornos gráficos a medida con integración de valores en tiempo real e históricos. ◗ Informes: proporciona de forma automática, previamente programada, o por petición expresa del operador todo tipo de informes sobre el sistema (alarmas, eventos, horas de funcionamiento, actividades de los operadores, etcétera.) en múltiples formatos (hoja de cálculo, procesador de texto, base de datos, etcétera.). ◗ Gestión de mantenimiento: programa y genera automáticamente órdenes de trabajo para el mantenimiento predictivo de equipos en función de las horas de funcionamiento de los mismos o de intervenciones prefijadas o periódicas.

Nivel de gestión Este nivel situado en la parte más alta del sistema suele convivir, en muchos casos, con el nivel de monitorización y operación.

Un operador de este nivel puede solicitar información y enviar órdenes a cualquiera de los niveles situados jerárquicamente por debajo. Las operaciones diarias suelen ser, normalmente, responsabilidad del nivel de operación pero, durante emergencias o en periodos especiales, todo el control puede ser transferido al nivel de gestión. La función básica de este nivel es recopilar, almacenar y procesar datos históricos como consumo energético, costes operativos, incidencias y alarmas y generar informes que proporciones una herramienta de gestión a medio y largo plazo.

GESTIÓN DE LA ENERGÍA MEDIANTE GTC Hoy en día está perfectamente contrastada la eficacia de los sistemas GTC en la optimización del consumo de energía allí donde se implantan. Esta eficacia se basa en infinidad de algoritmos y procedimientos que se realizan en uno o varios de los niveles 12

climanoticias/Noviembre 2009

Ahorro y eficiencia energética

anteriormente descritos. Algunos ejemplos serían: ◗ Habilitar y deshabilitar equipos de climatización en función de horarios y/o presencia. ◗ Realización de las maniobras clásicas de ahorro en sistemas de climatización por aire: freecooling, banda de energía cero, enfriamiento nocturno, etcétera. ◗ Mantener niveles de iluminación prefijados mediante control de la luminosidad, con máximo aprovechamiento de luz natural, combinado con horarios y presencia.

La lista de todos los algoritmos posibles es interminable ya que la mayor capacidad de proceso de cada uno de los niveles, por el abaratamiento continuo de la electrónica, hace que las funciones de ahorro energético que incorporan sean cada vez más numerosas y habituales.

Esta capacidad de los sistemas GTC de realizar operaciones de optimización energética junto con la facilidad que proporcionan en la gestión del mantenimiento predictivo hace posible alcanzar un ahorro energético que se mueve en la franja del 20% al 40%. Es obvio que para conseguir estas reducciones en el consumo energético es necesario, previamente a la implantación del sistema GTC, un estudio de las necesidades reales del edificio y un equipo de mantenimiento capaz y motivado.

Sistemas de información energética (SIE) Es en los niveles superiores de la GTC donde reside más potencia y velocidad de cálculo y es por esa razón por lo que las grandes empresas fabri-

cantes de soluciones de control están desarrollando aplicaciones para esos niveles. Podríamos denominarlas genéricamente Sistemas de Información Energética (SIE). Estas aplicaciones incorporan las siguientes funciones y herramientas: • Modelización del sistema de energía del edificio.

• Recopilación, depuración y almacenado de los datos relacionados con la energía.

• Transformación de los datos de energía en información útil para tomar decisiones de reducción de costes.

• Pronóstico de consumos de gas y electricidad.

• Gestión automática de las cargas eléctricas para evitar penalizaciones por exceso de demanda.

• Control de los generadores para recortar las puntas de demanda en conexión con otras estrategias de gestión de la demanda.

• Validación de facturas de consumo energético.

• Evaluación de tarifas alternativas de energías.

• Generación de informes de mediciones y verificaciones.

• Seguimiento del consumo energético y de sus costes respecto de valores de referencia básicos.

• Modelización de las tarifas de energía y generación de informes de facturación a los arrendatarios.

• Generación de informes de emisiones de gas de efecto invernadero y de horas de funcionamiento de generadores. climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico Para que el SIE pueda realizar todas las operaciones descritas anteriormente, es necesario realizar un trabajo inicial de introducción de toda la información necesaria para configurar el sistema. Los datos que se deben proporcionar para su funcionamiento son internos y asociados a la propia instalación (contadores, caudalímetros, sensores de temperatura, etc.) y externos (datos meteorológicos, puntas máximas de demanda de la compañía suministradora, etc.). La recogida periódica y almacenaje de datos de consumo es relativamente sencilla y no sería necesario ningún SIE para ello. El valor real del SIE reside en que es capaz de convertir todos estos datos en información energética necesaria para tomar decisiones tendentes a reducir el coste energético de forma efectiva.

Modelización del sistema energético La parte de modelización del sistema energético del edificio corresponde al operador del sistema y consiste, básicamente, en introducir datos relativos al consumo, producción y contaje de energía (tipo y situación de contadores). En este punto se puede introducir en el sistema un proveedor de predicción de datos meteorológicos. Si tenemos en cuenta que en la mayor parte de los casos el consumo energético depende fundamentalmente de la meteorología este enlace con el proveedor meteorológico se antoja fundamental. Gracias a los datos de la previsión recibidos para los próximos días con una descripción horaria detallada de temperatura, velocidad y dirección del viento, radiación solar, nubosidad y precipitaciones se puede predecir de manera muy fiable la de-

manda para los próximos días teniendo en cuenta el punto de equilibrio energético del edificio.

El punto de equilibrio energético depende de la zona geográfica, antigüedad del edificio, fachadas y ventanas, tipo de sistema de calefacción y/o refrigeración, etc. Con todos estos datos se obtiene una temperatura equivalente utilizada, en vez de la exterior, para controlar la producción de frío y calor necesaria para mantener la temperatura deseada de forma uniforme en el edificio. El sistema, además, posee algoritmos de aprendizaje que calculan constantemente la desviación de las necesidades reales respecto a la estimación meteorológica de forma que incorpora las correcciones pertinentes en futuras estimaciones.

Gestión de la demanda La energía eléctrica que gastan los grandes consumidores la pagan, normalmente, en base a la punta de demanda que utilizan durante un periodo particular. Si el consumidor excede en cualquier momento ese límite de demanda predeterminado, se le pueden aplicar penalizaciones a todo su consumo. Para la compañía suministradora, la tarifa recoge el costo asociado de mantener una infraestructura que pueda soportar las puntas de demanda eléctrica, por tanto, a los consumidores se les anima a minimizar o limitar la punta de demanda en sus edificios. Con frecuencia los cargos se hacen en base a la punta mensual de demanda media en un periodo de 15 minutos. Trabajar con una tarifa que incorpore cargos de demanda por tramos, puede aportar significativos ahorros (bajos cargos de consumos) pero debe estar bien gestionada y es, en este tipo de gestión, donde el SIE tiene una gran importancia.

El módulo de gestión de demanda de un SIE realiza, básicamente, los siguientes cometidos: ◗ Monitorizar la demanda y controlar cargas (y generadores eléctricos si los hubiera) para reducir las puntas de demanda. ◗ Monitorizar las lecturas de demanda durante cada intervalo de demanda (típicamente 15 minutos) y generar alarmas cuando pueda excederse con toda probabilidad el límite de demanda. ◗ Gestionar automáticamente cargas (y generadores) para evitar que se alcance el límite.

Optimización de costes

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climanoticias/Noviembre 2009

Cada intervalo de demanda puede descomponerse en un cierto número de inter-

Ahorro y eficiencia energética

valos de muestreo. El SIE examina el consumo eléctrico al fin de cada uno de esos intervalos de muestreo y predice la demanda al final del intervalo de seguir con ese ritmo de consumo.

Si la demanda prevista supera el límite prefijado, el SIE tratará de desconectar cargas para reducir la demanda y/o arrancar generadores automáticamente para satisfacer la misma.

Existen diferentes algoritmos a la hora de monitorizar la demanda y en ellos se tienen en cuenta el intervalo de demanda y el periodo de muestreo.

El intervalo de demanda es un periodo de tiempo que se toma para hacer una estimación de la demanda media en el mismo. Por ejemplo, 10kWh de consumo eléctrico sobre 15 minutos significa que la demanda en el intervalo será de 40kW = 10kWh / 0,25h. El periodo de muestreo es el tiempo entre lecturas de consumo sucesivas. Si el intervalo de demanda es de 15 minutos, se podría trabajar con, por ejemplo, 5 intervalos de muestreo (cada 3 minutos).

El algoritmo seleccionado para la monitorización de la demanda dependerá del tipo de edificio y de la política energética a aplicar en cada caso. A continuación se describen brevemente tres posibles algoritmos.

Ventana fija-predictiva Se usa, generalmente en sistemas de gestión de edificios pequeños. El intervalo de demanda se subdivide en periodos de muestreo y se tiene en cuenta ambos. El objetivo es alcanzar, pero no exceder, el límite de la demanda el fin del intervalo de demanda.

1. Al inicio de cada intervalo de demanda se calcula, para dicho intervalo, el consumo permitido Y = D*T/60, donde “T” es la duración del intervalo en minutos y “D” es el límite de la demanda.

2. Al final de cada periodo de muestreo, el algoritmo calcula el consumo habido desde el comienzo del intervalo. A este consumo al final del periodo de muestreo lo llamaremos “Y0”.

3. Con el valor de Y0 el algoritmo puede calcular la potencia permitida “MWa” al final del intervalo: MWa = 60*(Y-Y0) / (T –t0) donde “t0” es el tiempo desde el arranque del intervalo hasta el final del periodo de muestreo.

4. Tras esto, el algoritmo calcula la potencia media “MW0” disponible justo al completarse el periodo de muestreo MW0 = 60 * (Y0 – Y1) / (t0 – t1), siendo Y1 el consumo desde el arranque del intervalo hasta justo el comienzo del periodo de muestreo y “t1” el tiempo en minutos desde el arranque del intervalo hasta justo

el comienzo del periodo de muestreo.

5. Con estos valores el algoritmo calcula, al inicio de cada periodo de muestreo la potencia “DS” que debe conectarse o desconectarse en el próximo periodo de muestreo DS = (MWa – MW0 – C) donde “C” es el factor de compensación definido al hacer la configuración para compensar los errores en las mediciones en el cálculo y en las tablas de carga. Si “DS” resulta negativo, deben desconectarse cargas por valor de “DS” y si resulta positivo, conectarlas por dicho valor.

Si consideramos los siguientes datos de partida: Intervalo de demanda = 5 min; Periodo de muestreo = 1min; C = O MW; Demanda límite = 12 MW; Y0 (periodo1) = 0,16 MWh; Y0 (periodo2) = 0,7 MWh Y = 12 MW * 5 min / 60 = 1 MWh. ◗ Primer periodo de muestreo: Potencia permitida al final del intervalo MWa = 60 * (1 MWh – 0,16 MWh) / (5 min – 1min) = 12,6 MW Potencia permitida al final del periodo de muestreo MW0 = 60 * (0,16 MWh – 0 MWh) / (1 min – 0 min) = 9,6 MW. Potencia a conectar/desconectar en el próximo periodo de muestreo DS = 12,6 MW – 9,6 MW = 3 MW. Esto significa que pueden conectarse 3 MW en el próximo periodo de muestreo. ◗ Segundo periodo de muestreo: Potencia permitida al final del intervalo MWa = 60 * (1 MWh – 0,7 MWh) / (5 min – 2min) = 6,2 MW Potencia permitida al final del periodo de muestreo MW0 = 60 * (0,7 MWh – 0,16 MWh) / (2 min – 1 min) = 32,4 MW. Potencia a conectar/desconectar en el próximo periodo de muestreo DS = 6,2 MW – 32,4 MW = 26,2 MW. Esto significa que se deben desconectar 26,2 MW en el próximo periodo de muestreo.

Pendiente ideal con ventana fija En este algoritmo el objetivo es alcanzar la pendiente ideal más el valor de compensación al final del periodo de muestreo. Al inicio del intervalo, la compensación de la pendiente ideal es un valor igual a una fracción decimal del límite de la demanda “D” y decrece linealmente hasta cero al final del intervalo de demanda.

1. El consumo de compensación “Yf” se calcula así: Yf = A * D * (T – tn) / 60, donde “T” es la duración del intervalo en minutos, “D” es el límite de la demanda y “tn” es el tiempo en minutos al final del periodo de muestreo n.

“A” es la compensación de la pendiente ideal.

La experiencia demuestra que su valor debe estar entre 0 y 0,63. climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico 2. Si llamamos “Yi” al consumo ideal al final del periodo de muestreo, esto es Yi = tn * D /60 podremos calcular el consumo permitido “Yh” al final del próximo periodo de muestreo como Yh = Yi + Yf. 3. Tras esto, el algoritmo calcula la potencia permitida al final del actual periodo de muestreo para poder alcanzar la pendiente ideal al final del próximo periodo de muestreo MWa = 60 * (Yh – Y0) / (Tn – t0) donde “Tn” es el tiempo en minutos desde el arranque del intervalo al final del próximo periodo de muestreo.

4. La potencia media justo al completar el periodo de muestreo y el valor de carga a conectar/desconectar se calculan igual que en el caso del algoritmo fijo predictivo MW0 = 60 * (Y0 – Y1) / (t0 – t1) y DS = (MWa – MW0 – C).

Si consideramos los mismos datos de partida del ejemplo anterior junto con una compensación de pendiente ideal A = 0,3 obtenemos para el segundo periodo de muestreo: Yf = 0,3 * 12 MW *(5 min – 3 min) /60 = 0,12 MWh Yi = 3 min * 12 MW / 60 = 0,6 MWh Yh = 0,6 MWh + 0,12 MWh = 0,72 MWh MWa = 60 * (0,72 MWh – 0,7 MWh) / (3 min – 2min) = 1,2 MW MW0 = 60 * (0,7 MWh – 0,16 MWh) / (2 min – 1 min) = 32,4 MW DS = 1,2 MW – 32,4 MW = - 31,2 MW, por tanto habría que desconectar 22,8 MW en el próximo periodo de muestreo

Predictivo de ventana deslizante Este tipo de algoritmo se utiliza cuando la compañía de suministro de energía eléctrica calcula la demanda en el intervalo previo a cada periodo de muestreo. En este caso la duración de la ventana del intervalo se traslada a lo largo del eje del tiempo en incrementos iguales al periodo de muestreo. El algoritmo de ventana deslizante se ejecuta continuamente en cada periodo de muestreo hasta el momento del comienzo del último periodo de muestreo.

1. Cuando arranca el programa el algoritmo calcula el consumo ideal “Y” al final del intervalo de demanda Y = D * T / 60, donde “T” es la duración de la ventana en minutos.

2. Si en un intervalo de demanda hay n periodos de muestreo, el algoritmo debe añadir el consumo sobre los n-1 periodos de muestreo previos.

3. Después de esto, puede calcular la potencia permitida “MWa” para el último periodo de muestreo empleando esos valores MWa = 60 * (Y – Y0) / (T – t0).

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climanoticias/Noviembre 2009

4. La potencia media “MW” tras completar el periodo de muestreo es MW0 = 60 * (Y0 – Y1) / (t0 – t1).

5. El valor de carga calculado a conectar/desconectar es DS = (MWa – MW0 – C).

Si tomamos los mismos datos de partida de los ejemplos anteriores obtenemos que la energía permitida en el intervalo de demanda es Y = 12 MW * 5 min / 60 = 1 MWh y si calculamos el último periodo de muestreo.

MWa = 60 * (1 MWh – 0,7 MWh) / (5 min – 4min) = 18 MW MW0 = 60 * (0,7 MWh – 0,6 MWh) / (4 min – 3 min) = 6 MW DS = 18 MW – 6 MW – 0 MW = 12 MW Una vez que el SIE ha realizado la estimación de la carga a conectar/desconectar del sistema para no superar el valor límite de demanda, el siguiente paso consiste en enviar las órdenes de conexión y desconexión a los equipos necesarios para cumplir los objetivos de carga. El gestor de demanda debe proceder de acuerdo a los siguientes criterios: ◗ Se conectan y desconectan cargas en base a la prioridad de las mismas. ◗ Las cargas de prioridad más baja son las que se desconectan primero. ◗ Si con esto no se reduce la demanda suficientemente, se desconectan cargas de prioridad más alta. ◗ Si aún así no fuera suficiente, se enviará un mensaje al operador para que éste desconecte, si lo desea, cargas críticas manualmente. ◗ La conexión de cargas se hace siguiendo un orden inverso de prioridad al de la conexión de cargas. ◗ Las cargas de prioridad más alta son las que primero se conectan. ◗ Si varias cargas tienen la misma prioridad, se usa un algoritmo de selección para decidir qué carga es la que se va a conectar o desconectar. El algoritmo elegido puede ser de uno de estos dos tipos:

Circular Se utiliza si, dentro del nivel de prioridad, a las cargas eléctricas no se les ha asignado ninguna importancia relativa. La desconexión y conexión se hace por orden de petición, existiendo un puntero para cada una de las acciones. Cuando se desconectan cargas, el puntero asociado se mueve por la tabla de cargas en la dirección de las agujas del reloj buscando cargas del nivel de prioridad

Ahorro y eficiencia energética

Generación de informes Los informes que se pueden extraer de un SIE son la mejor herramienta para un análisis de los perfiles de consumo energético de todo el sistema. Estos análisis permitirán que un gestor energético cualificado tome las decisiones oportunas para optimizar los costes energéticos del sistema global sin menoscabar las condiciones de funcionamiento ideal del mismo.

especificado y las va desconectando hasta llegar al límite deseado. Si no hay suficientes cargas susceptibles de ser desconectadas, se envía un mensaje de alarma al operador. Cuando se conectan cargas, el puntero asociado se mueve por la tabla de cargas, en dirección contraria a las agujas del reloj, buscando cargas con el nivel de prioridad necesario y las va conectando hasta llegar al nivel requerido. El algoritmo tiene un funcionamiento aleatorio a la hora de decidir qué carga se va a conectar o desconectar debido a que las posiciones de ambos punteros son independientes.

CONCLUSIÓN Secuencial En este algoritmo la última carga en desconectarse es la primera en volverse a conectar. Existe un único puntero que conecta y desconecta cargas.

Cuando hay que desconectar, el puntero se mueve por la tabla de cargas desde su posición actual hacia abajo y desconecta las cargas disponibles que se va encontrando hasta el nivel deseado.

Si no hay suficientes cargas para desconectar, se envía un mensaje de alarma al operador. En el proceso inverso, el puntero se mueve hacia arriba buscando y conectando cargas del nivel de prioridad especificado.

Los sistemas de Gestión Técnica Centralizada son y serán una herramienta clave para la optimización del consumo energético de cualquier instalación y tanto más necesarios cuanto mayor sea la complejidad y la dispersión geográfica de la misma (oficinas, hospitales, campus universitarios, ….). Aunque se realizan avances para implementar algoritmos y herramientas para el ahorro energético en todos los niveles de la GTC es en los niveles superiores, debido por un lado a la mayor capacidad y velocidad en el proceso de datos y por otro a su posibilidad acceso a toda la información global del sistema, donde se están produciendo los mayores avances.

En este artículo se ha comentado someramente las características generales de un Sistema de Información Energética (SIE) haciendo un especial hincapié en la gestión de cargas pero esta es sólo una mínima parte del potencial que posee un SIE. Cada fabricante dota a su SIE de diferentes opciones y funciones pero todos ellos se encaminan a convertir la información energética en información útil para su análisis.

Nunca debemos perder de vista que por muy sofisticada que sea la información, si no existe un gestor energético de carne y hueso capaz de analizarla y de tomar las acciones correctoras correspondientes, ésta no será de ninguna utilidad. La información, sin análisis, solamente serán unos gráficos más o menos detallados. ■ climanoticias/Noviembre 2009

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Fig. 25: Pantallas EMS (SAUTER 2008).

especial monográfico

artículo técnico artícu

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Noviembre Diciembre2009 2008 electronoticias/ climanoticias/

VIVIENDA EE+.

LA CASA PASIVA EN EL MEDITERRÁNEO por

Víctor Galarza

Jefe de Producto Sistemas de Eficiencia Energética para Vivienda Unifamiliar Saunier Duval

RESUMEN España esta desarrollando actualmente, un modelo energético sostenible para la edificación basándose en dos temas: la eficiencia energética y las energías renovables. Los programas de eficiencia energética se orientan –entre otros- a la mejora de las condiciones técnicas de los edificios (aislamientos, ventanas, etc.) y de sus instalaciones (calefacción, refrigeración, ventilación y agua caliente sanitaria), motivando la utilización de las energías renovables.

“Vivienda EE+. La casa pasiva en el Mediterráneo”, es el Proyecto de Saunier Duval con “Certificado Energético A”, donde se presentan innovadoras soluciones técnicas para alcanzar “el máximo nivel de confort, con el mínimo consumo de energía” (reducción del consumo energía de 81% y de las emisiones de CO2 de 73%): a. Diseño del edificio con arquitectura bioclimática, para minimizar la “demanda energética”: aislamiento térmico del envolvente del edificio (paredes, techo, suelo, puertas y ventanas exteriores); sombreado exterior contra la radiación solar en ventanas (cubierta y fachada sur del edificio). b. Sistema Integral de Climatización y Agua Caliente Sanitaria, para aprovechar de la energía con “máxima

eficiencia”: bomba de calor geotérmica (suelo/agua); energía solar térmica (ACS); suelo radiante (calefacción/ refrigeración); y, ventilación mecánica controlada con recuperador de calor.

1. CONFORT TÉRMICO EN LA EDIFICACION El Reglamento para Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE) define las condiciones de diseño para climatizar un edificio de vivienda en el punto IT1.1.4.1.2.a): “Para personas con actividad metabólica sedentaria de 1,2 met, con grado de vestimenta de 0,5 clot en verano y 1,0 clot en invierno y un PPD entre el 10 y el 15%, los valores de temperatura operativa y de la humedad relativa estarán comprendidos entre los límites presentados en la tabla 1.4.1.1.”.

Debemos recordar que la sensación de temperatura de las personas en una habitación se corresponde con la temperatura operativa y no con la temperatura del aire, como erróneamente lo consideran muchas personas. De forma práctica, la temperatura operativa en el interior de los edificios equivale al valor promedio entre la temperatura media radiante de las superficies interiores de la habitación (suelo, paredes, techo) y la temperatura media del aire en el centro de la habitación. Esta ecuación se cumple cuando la

Ahorro y eficiencia energética

Estación

Temperatura operativa 0 C

Humedad relativa %

Verano

23...25

45...60

Invierno

21...23

40...50

Tabla I. Condiciones interiores de diseño en un edificio según el RITE

velocidad del aire es menor a 2 m/s o cuando la diferencia entre la temperatura media radiante y la temperatura media del aire es menor a 40C. Es decir, si deseamos mantener una determinada temperatura operativa en la habitación en invierno, podemos aumentar la temperatura radiante media y disminuir la temperatura del aire. En cambio en verano, podemos reducir la temperatura radiante media y aumentar la temperatura del aire (Fig. 1) En condiciones de confort térmico, el principal medio de emisión de calor de las personas hacia su entorno es la radiación (40-50%). Luego, en menor medida, por convección (20-30%), conducción (1-2%) y transpiración (30-40%).

2. CERTIFICACIÓN ENERGÉTICA DE LOS EDIFICIOS La Certificación Energética de los Edificios es una exigencia derivada de la Directiva Europea 2002/91/CE, traspuesta parcialmente al ordenamiento jurídico español a través del Real Decreto 47/2007 del 19 de enero y en vigor para edificios de nueva construcción desde octubre de 2007. Está previsto la elaboración de un nuevo Real

Invierno

Decreto para los edificios existentes para el año 2009.

Mediante una Etiqueta de Eficiencia Energética, el certificado asigna a cada edificio una Clase Energética. La calificación A, para edificios energéticamente muy eficientes, con un mínimo consumo de energía, supone la utilización de generadores de energía (calor o frío) de alta eficiencia energética unido a buenos aislamientos térmicos en la envolvente del edificio. En cambio, la mayoría de los edificios convencionales, poco eficientes, obtendrán las calificaciones C o D, equivalente al nivel mínimo exigido por el actual Código Técnico de la Edificación (CTE).

La determinación del nivel de eficiencia energética correspondiente a un edificio puede realizarse empleando dos opciones: La opción general: De carácter prestacional, a través de los programas informáticos: - CALENER -VYP para vivienda y edificios terciarios (pequeños y medianos); y, - CALENER-GT para edificios de gran terciario.

La opción simplificada: De carácter prescriptivo, que desarrolla la metodología de cálculo de la calificación de eficiencia energética de una manera indirecta.

3. DISEÑO DEL EDIFICIO (Arquitectura Bioclimática) En el futuro, en la construcción o rehabilitación de edificios se deberá aplicar nuevos criterios en diseño arquitectónico, materiales de construcción, etc., encaminados a la reducción de la demanda energética:

Verano

Fig. 1. Condiciones teóricas de confort en un edificio de vivienda con un Sistema de Suelo Radiante

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artículo técnico ◗ Buen aislamiento térmico en paredes, techo y suelo exteriores. ◗ Buen aislamiento térmico en sistemas de puertas y ventanas exteriores. ◗ Adecuados sistemas de sombreado exterior como protección contra la radiación solar directa sobre las zonas acristaladas que se encuentran en la fachada sur y en la cubierta del edificio.

Sin embargo, para garantizar esta demanda mínima de energía, estas soluciones deben ir acompañadas de: ◗ Buen programa de mantenimiento del edificio y de sus instalaciones. ◗ Uso adecuado del edificio y de sus instalaciones.

4. SISTEMA INTEGRAL DE EFICIENCIA ENERGÉTICA El Sistema Integral de Eficiencia Energética para Climatización y Producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS), para este proyecto (Fig. 2), se compone de: ◗ Bomba de calor geotérmica (suelo/agua). ◗ Sistema de energía solar térmica (ACS) ◗ Sistema de suelo radiante para calefacción y refrigeración. ◗ Ventilación mecánica controlada de doble flujo, con recuperador de calor. ◗ Sistema de regulación de temperatura del Agua para el suelo radiante (invierno/ verano). ◗ Sistema de regulación de temperatura de Confort en cada habitación.

Fig. 2. Esquema tipo del Sistema Integral de Eficiencia Energética para Climatización y ACS.

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climanoticias/Noviembre 2009

El máximo rendimiento de una bomba de calor geotérmica se obtiene en combinación con un sistema de climatización por suelo radiante. Este sistema aprovecha de forma óptima tanto la inercia térmica del terreno exterior (energía acumulada en la superficie del planeta) como la inercia térmica de la vivienda (energía acumulada en el suelo, paredes, techo) para mantener el interior de la casa en condiciones de confort, durante el día o la noche, en invierno o verano, minimizando los efectos de la temperatura exterior.

Para esto, la bomba de calor geotérmica realiza un intercambio de calor con la Tierra por medio de un captador vertical geotérmico. En este caso, se coloca un circuito de tubos (2 ó 4) dentro de una perforación a 50-100 m de profundidad y de 110-140 mm de diámetro.

Durante todo el año, la diferencia de la temperatura del agua entre el circuito primario (terreno / bomba de calor) y el circuito secundario (bomba de calor / suelo radiante) es mínima. Tanto en invierno como en verano, estos valores se mantienen prácticamente constantes si consideramos que tanto el circuito primario como el circuito secundario trabajan de forma estable aprovechando la “inercia térmica” del terreno y de la casa.

En invierno, el salto térmico del agua es de sólo 150C si consideramos que el agua en el circuito primario trabajará con una temperatura media de +150C y el circuito secundario o terciario a +300C. En cambio en verano, en modo de refrigeración, el salto térmico es de +20C considernado que la temperatura del circuito primario se mantiene también en aproximadamente +150C y el circuito secundario a +170C. En verano, la bomba de calor geotérmica trabajará en dos fases: ◗ “free cooling o pasiv cooling”.

A inicios y finales del periodo de verano, cuando la demanda de refrigeración en el edificio es baja, el circuito frigorífico de la máquina no se pondrá en funcionamiento. En estos periodos será suficiente la transferencia de calor a través de un intercambiador de calor entre el circuito

Ahorro y eficiencia energética

secundario y el circuito primario del sistema. ◗ “activ cooling”. Durante el verano, cuando la demanda de refrigeración del edificio es alta, la bomba de calor geotérmica trabaja de forma normal, con el circuito frigorífico en marcha para generar agua fría a +150C para el sistema de suelo radiante.

Dentro de la vivienda, en el suelo radiante, se coloca una red de tubos dentro de la capa de mortero de cemento con un recubrimiento de tipo cerámico, parquet, etc.

En invierno, el mortero emite el calor por efecto radiante, y en menor grado convección, hacia los elementos estructurales de la habitación (paredes, techo, puertas, etc.). En cambio en verano, el suelo absorbe el calor por radiación, y en parte por convección, desde los elementos estructurales (paredes, techo, puertas, etc.). Desde aquí, el agua transporta el calor hacia el terreno, fuera de la vivienda.

Los sistemas de regulación permiten impulsar el agua a la temperatura deseada durante todo el año y controlar de forma independiente la temperatura de confort en cada uno de los locales climatizados.

Para asegurar la calidad del aire en el interior de la vivienda (según el CTE / HS3), el edificio cuenta con un sistema de ventilación mecánica controlada (VMC) de doble flujo, que permite la renovación y la filtración adecuada del aire “fresco”.

Además, gracias a su intercambiador entálpico de calor, se recupera la energía del aire “residual” que se perdería debido a la ventilación, pre-calentando (en invierno) o pre-enfriando (en verano) el aire “fresco”. El aire circula desde los locales secos a los locales húmedos, para ello el salón-comedor, dormitorios y oficina cuentan con rejillas de admisión de aire; en cambio, la cocina

y los cuartos de baño disponen de rejillas de extracción de aire. Los marcos de las puertas situadas entre los locales de admisión y extracción disponen de aberturas para el paso de aire.

Finalmente, como complemento de la bomba de calor geotérmica, el equipo de energía solar térmica permite producir agua caliente sanitaria (ACS) en todo momento, reduciendo aún más la demanda de energía en la vivienda.

5. AHORRO ENERGÉTICO La reducción de la demanda de energía en el edificio de alta eficiencia energética, se debe –entre otros- al uso de un sistema de suelo radiante que permite precalentar el edificio en invierno o preenfriar el mismo en verano, aprovechando la inercia térmica del edificio, con lo que se consigue: ◗ Menor demanda energética en horas de mínimas o máximas temperaturas exteriores. ◗ Mayor eficiencia de los generadores de calor o frío (por ejemplo: bomba de calor geotérmica). ◗ Posibilidad de trabajar con agua a baja temperatura en calefacción (30-350C) y alta temperatura en refrigeración (15170C). Con esto se consiguen menores pérdidas o ganancias de calor en los circuitos de agua. ◗ Posibilidad de trabajar con temperaturas de aire (interior) inferiores en calefacción y superiores en refrigeración.

Esto permite reducir también el efecto de “shock térmico” cuando las personas entran o salen de la casa.

En la tabla II se presenta un resumen de las mejoras técnicas que se pueden realizar en

Tabla II: Cálculo teórico de cargas de invierno y verano para una vivienda unifamiliar en Barcelona

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artículo técnico un edificio para reducir las cargas de invierno y verano, desde un edificio tradicional (Sistema 10) hasta un edificio con “Calificación Energética A” (Sistema 1).

A estos valores, se debe añadir la reducción en el consumo de energía al utilizar generadores de calor y frío de alta eficiencia energética, como la bomba de calor geotérmica, que permite un

ahorro de energía anual de más de un 75%.

Teniendo en cuenta dos edificios de referencia, uno con el Sistema 1 y otro con el Sistema 10 (incluyendo una bomba de calor geotérmica), el ahorro energético teórico global alcanzado en la “Vivienda EE+” es del 81% y la reducción en las emisiones de CO2 es del 73%.

EL PROYECTO DATOS DEL PROYECTO Ubicación: Barcelona Tipo de edificio: Vivienda Unifamiliar Adosada Superficie habitable: 180 m2 Número de personas: 4 Zona Climática según CTE: 2 Composición: Salón, Comedor, Dormitorios (4), Baños (3)

CERTIFICADO ENERGETICO CLASE A Emitido por: Institut Català de la Energya (ICAEN) Fecha: Febrero 2009 Programa: CALENER VIP Consumo de energía: 13.794,48 kWh/año Anual: 59,50 kWh/m2 Emisiones CO2: 1.576,51 kgCO2/año Anual: 6,80 kg/CO2/m2

ENVOLVENTE DEL EDIFICIO Fachada Norte: ventilada con aislamiento poliestireno extruido 60 mm (exterior) y lana mineral de 40 mm (interior), evitando los puentes térmicos.

Fachadas (otras): protección con monocapa sobre aislamiento de poliestireno expandido 50 mm (exterior) y lana mineral de 40 mm (interior).

Paredes interiores; todas las paredes divisorias son tipo trasdosado de placa de yeso laminado (construcción en seco) con aislamiento de lana mineral de 40 mm.

Cubierta: invertida plana transitable con acabado cerámico espesor total 65 cm compuesta por: pavimento de dos capas de baldosa cerámica; chapa de hormigón 5 cm; aislamiento de poliestireno extruido 80 mm; lamina separadora de geotextil; 24

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Ahorro y eficiencia energética

lamina impermeable asfáltica LBM-40; chapa de hormigón aligerado de 7 a 13 cm; forjado unidireccional semi-resistente 23 cm; aislamiento de lana mineral de 40 mm; cámara de aire no ventilada 16,5 cm; Falso techo de placas de yeso laminado 12,5 mm.

Suelo: solera formada por las siguientes capas: grava de 15 cm de espesor sobre el terreno saneado; lamina de polietileno; chapa de hormigon de 10 cm de espesor; losa de cimentación de hormigón armada con retracción moderada de 40 cm de espesor; mineralizador; aislamiento de poliestireno extruido 120 mm; sistema de suelo radianterefrescante (ver punto suelo radiante) PUERTAS Y VENTANAS Puertas / Ventanas: Aluminio de perfil oculto, con rotura de puente térmico, oscilante 26/20 dBa; U = 1,6(w/m2k); sustitución de las juntas de felpa por EPDM (Etileno-propileno) Cristales: Doble Acristalamiento; SGG Climalit plus SAFE con Planistar, 44,1/16/44,1, formado por vidrio bajo emisivo, sobre laminar STADIP; U = 1,4(w/ m2k); g = 0,40 Persianas: Plegables de aluminio, de lama ancha orientable, permite el paso de luz con una mínima radiación solar.

Cajón de la persiana: registro exterior e inferior, aislamiento de lana mineral 80 mm.

BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA Usos: calefacción; ACS; calentamiento de piscina.

Equipo: Magna Geo SD 06 BM, con acumulador ACS Potencia térmica: 6 kW Potencia absorbida: 1,4 kW (monofásica) Dimensiones: 1800 x 600 x 900 mm Características: bombas de recirculación en circuito primario y secundario; compresor scroll; control de equilibrado energético con sonda de temperatura exterior y pantalla de información gráfica; resistencia eléctrica de apoyo ajustable 2/4 kW; interacumulador para ACS de 175 litros en acero inoxidable Temperatura agua calefacción: 25 / 620C (min./máx.)

Temperatura ACS: 550C / 750C (sin / con apoyo eléctrico) Kit calor / frío: Usos: Refrigeración (pasiva y activa) Permite la generación de agua fría para refrigeración de la vivienda. De forma simultánea –y gratuita- se produce agua caliente para ACS y calentamiento de piscina.

Incluye control para kit calor y frío.

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artículo técnico ENERGÍA SOLAR TÉRMICA USO: Producción de ACS Colector solar plano SRV 2.3; 2 unidades; Vertical; 2,33 m2.

Acumulador ACS: 200 litros.

Accesorios: Grupo hidráulico; control; vaso expansión; purgador; soportes.

SUELO RADIANTE Usos: calefacción (invierno) y refrigeración (verano) Plancha aislamiento y fijación del tubo: Poliestireno expandido, 25 mm base, alta densidad 50 kg/m3.

Tubo: PE-Xa 16 mm, con barrera contra la difusión O 2.

Mortero: autonivelante, espesor 30 mm.

Recubrimiento: pavimento de piedra natural 3 cm.

VENTILACION MECÁNICA CONTROLADA Equipo: DF DUOLIX SIBER. 2 unidades.

Usos: ventilación permanente de la vivienda, para mantener la calidad del aire según el CTE / HS3.

Características: Central de doble flujo para vivienda individual; 2-3 baños; regulación por potenciómetro del caudal (105 a 165 m3/h); filtrado de aire exterior; intercambiador entálpico de calor.

SISTEMA DE MONITORIZACIÓN Equipo: SAVERIS TESTO Uso: Medición y registro de datos Datos: temperatura de aire (interior/exterior); humedad relativa del aire (interior/exterior); temperatura radiante (suelo, paredes); temperatura de agua en circuito primario BCG / sonda geotérmica (impulsión, retorno); temperatura de agua circuito secundario BCG/SRR (impulsión/ retorno), temperaturas dentro de suelo radiante (4 sondas). ■

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climanoticias/Noviembre 2009

especial monográfico

artículo técnico artícu LA EFICIENCIA ENERGÉTICA DEL GENERADOR DE CALOR Y LA TECNOLOGÍA DE CONDENSACIÓN por Manuel Ruiz Responsable de formación y soporte técnico Bosch Termotecnia

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a forma universalmente aceptada para preparar a.c.s. en una vivienda o calefactarla es aprovechar el calor liberado en la combustión de un combustible para poder elevar la temperatura del agua de consumo o el agua del circuito primario que a su vez disipa su calor por medio de radiadores distribuidos en dicha vivienda.

Por tanto, la forma convencional de obtener servicio de a.c.s. y calefacción es contar con un calentador de agua a gas o caldera mixta de gas o gasóleo. También podemos contar con otras fuentes de energía, la energía eléctrica, que aprovecha el efecto Joule calentando una resistencia, o utilizar la energía solar térmica, que nos permite obtener el mismo servicio sin emisiones de gases quemados a la atmósfera.

En este artículo técnico nos centraremos en el calentamiento a través de la combustión de un hidrocarburo y profundizaremos en cómo podremos aumentar el rendimiento de la combustión para el mismo nivel de confort y demanda térmica, reduciendo las emisiones de CO2, trataremos de la tecnología de condensación. Una tecnología de condensación que no es nueva y que aplicada a sistemas de calentamiento de a.c.s. y calefacción como apoyo a la energía solar supone un fuerte compromiso medioambiental al neutralizar los efectos del calentamiento global del planeta por concentraciones de CO2 atmosféricas.

Los combustibles utilizados por los generadores de calor reciben el nombre genérico de hidrocarburos. Los elementos fundamentales de estos hidrocarburos son el carbono (C) y el hidrógeno (H2) que, al combinarse

con el oxígeno del aire (O2), generan una reacción de oxidación que desprende calor.

La cantidad de calor desprendida en dicha reacción dependerá de la riqueza en carbono del combustible y del estado de agregación del mismo (sólido, líquido o gaseoso); generalmente, a mayor contenido en carbono y estado de agregación más ligero, más energía desprendida. Además de esta energía calorífica, en la reacción se generan una serie de compuestos.

Componentes de los gases de combustión Los combustibles sólidos y líquidos están formados por cadenas más o menos largas de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, vapor de agua y azufre. Los combustibles gaseosos son una mezcla de gases combustibles (metano, propano o butano) y otros no combustibles.

Una primera aproximación a la combustión de un gas (CnH2n+2) vendría expresada por la siguiente reacción no ajustada: N2+CnH2n+2+O2➝N2+NO2+CO2+CO+H2O+O2+energía Los gases procedentes de la combustión del gas en el interior de una caldera individual o colectiva es un problema para el entorno de la vivienda donde están instaladas en cuanto al deterioro del aire ambiente que podemos utilizar para ventilar nuestros hogares.

El Reglamento Técnico de Distribución y Utilización de Combustibles Gaseosos y sus instrucciones técnicas complementarias (ITC´s) recogido en el R.D. 919/2006 regula las características que deben de reunir las ins-

Ahorro y eficiencia energética

talaciones de gas en las viviendas, en concreto la norma UNE 60670 establece las condiciones y dimensiones en los trazados de evacuación de gases y admisión de aire por la cubierta del edificio y por sus fachadas.

El nuevo Reglamento de instalaciones Térmicas en Edificios (RITE) contenido en el R.D. 1751/2007 de 20 de julio apuesta decididamente por la expulsión de gases a la cubierta de los edificios en instalaciones de edificios multivivienda tanto para calderas colectivas como individuales.

El objetivo es ganar en salubridad a la hora de ventilar nuestras viviendas por la fachada del edificio.

A continuación vamos a ver cuáles son los productos de la combustión de un combustible líquido o gaseoso: • Nitrógeno (N2): El nitrógeno es el principal componente del aire que respiramos; de hecho sirve para diluir el oxígeno, pues de no ser así, éste nos quemaría los pulmones. El nitrógeno es un gas inodoro, incoloro e insípido que entra en la caldera y sale por la chimenea sin intervenir en la reacción, pero sí robando calor de la combustión y por tanto reduciendo su rendimiento. La concentración de nitrógeno (N2) en los gases de combustión suele estar entre el 78% y el 80%, para cualquier tipo de combustible.

• Vapor de agua (H2O): Todos los combustibles están compuestos, en mayor o menor medida por hidrógeno (H2). Este gas, muy volátil, reacciona con el oxígeno del aire produciendo humedad en los gases de combustión si la temperatura de humos es elevada o produciendo condensados si la temperatura de humos es baja.

• Oxígeno (O2): El oxígeno en exceso que no reacciona en la combustión sale caliente por la chimenea y se emplea para medir la pérdida de rendimiento. Los valores habituales de O2 en los gases de combustión oscilan entre un 2% y un 6%, tanto para gas como para gasóleo.

• Dióxido de carbono (CO2): El dióxido de carbono es un gas inodoro e incoloro de gran importancia en la Naturaleza. Mediante la luz solar, las plantas convierten el CO2 en oxígeno, mientras que los animales, al respirar, efectúan la reacción contraria. Los gases de combustión han roto el equilibrio que hasta ahora existía en la Naturaleza y el CO2 interviene acelerando el efecto invernadero. Así, dicho gas se queda en las capas altas de la atmósfera dejando entrar la radiación solar

pero impidiendo que ésta, al reflejarse en la superficie terrestre, salga de nuevo al espacio. La consecuencia es un incremento de la temperatura media de la Tierra y la alteración del clima.

La concentración de dióxido de carbono (CO2) en los gases de combustión es de 12,5-14% para gasoil y 8-11% para gas.

• Monóxido de carbono (CO): El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, muy venenoso, que resulta de una combustión incompleta. En este sentido, resulta muy útil conocer el valor de CO corregido; éste se define como el CO obtenido sin tener en cuenta el exceso de aire en la combustión.

Los valores de CO admisibles en la combustión de un aparato a gas son los siguientes: - en ambiente, inferior a 15 ppm; - en chimenea, inferior a 400 ppm.

Cuanto más reducida sea la concentración de CO en los gases de combustión, más completa será ésta y por tanto mayor será el rendimiento del aparato.

• Óxidos de nitrógeno (NOx): Gracias a las altas temperaturas generadas en la combustión, parte del nitrógeno y del oxígeno del aire se combinan entre sí para dar, en sucesivas oxidaciones, dióxido de nitrógeno (NO2). Este último se combina a su vez con el vapor de agua y genera ácidos que, al precipitar, provoca el fenómeno de la lluvia ácida, destruyendo el medio ambiente. La medición de óxidos de nitrógeno no es tenida en cuenta, por el momento, en aparatos de gas o gasóleo de pequeña potencia. La idea de reducir los índices de óxidos de nitrógeno en las calderas convencionales ha llevado a clasificarlas según su grado de emisión de estas partículas. En la norma europea EN 297 se clasifican estas emisiones de los quemadores en: Emisiones de NOx Emisiones

Clase 1

Clase 2

Clase 3

Clase 4

Clase 5

mg/kWh

> 260

200

150

100

< 70

Así, según la clasificación anterior, las calderas con Clase 5 de emisión de NOx son las más limpias, las que emiten menos de 70 mg/kWh. En el mercado existen calderas con niveles de emisión de NOx bajos tanto en versiones de calderas a baja temperatura o en versiones de condensación, aunque no quiere decir que todas las calderas de condensación tienen garantizado la clase 5 de NOx. climanoticias/Noviembre 2009

29

artículo técnico En el nuevo RITE en caso de evacuación de gases de calderas individuales por fachada en edificios colectivos de viviendas, dichas calderas individuales podrán ser únicamente de Clase 5 de emisiones de NOx. Los calentadores de cámara abierta de potencia útil superior a 24,4 kW no podrán efectuar su salida a fachada en edificios multivivienda. Las calderas colectivas, siempre a cubierta.

En el caso de viviendas unifamiliares se podrá realizar la salida a fachada en caso de generadores de calor individuales.

Dióxido de azufre (SO2): El dióxido de azufre se genera por la oxidación del azufre contenido en el combustible; cuando se combina con vapor de agua da lugar a ácido sulfúrico (H2SO4) que, al condensar, precipita y daña el interior del generador de calor. Este hecho es especialmente preocupante en calderas de gasóleo, cuyo contenido en azufre es sensiblemente superior al que pueda tener un gas combustible.

n=1, combustión estequiométrica, n>1, combustión con exceso de aire, que para combustibles gaseosos oscila entre 1,1 y 1,4, n<1, combustión con defecto de aire.

En un quemador por lo tanto es muy importante tener ajustado el caudal de hidrocarburo que se quema y la cantidad de aire necesario para la combustión, oxidación. Es primordial la comprobación de que el quemador no produce CO ni un exceso de CO2.

Esquemáticamente podríamos representar los distintos tipos de reacciones de combustión de la siguiente manera:

Tipos de combustión En la combustión de un hidrocarburo gaseoso hacen falta, además del gas combustible, un elemento comburente que reaccione con él, el oxígeno del aire (O2), y una fuente térmica inicial que provoque la combustión. La fuente térmica inicial que origina el encendido del piloto o el quemador en los aparatos de ionización es el torrente de chispas. La combustión es una reacción química muy exotérmica, es decir, que despide gran cantidad de energía que nosotros aprovechamos, en nuestro caso, para calentar el agua que circula por un serpentín de cobre.

En la combustión intervienen dos elementos, oxígeno (contenido en el aire en un 21%) y un hidrocarburo (CnH2n+2), gas natural, butano o propano. Como producto de esta reacción química se obtienen fundamentalmente dos gases, dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O). A esta combustión se la llama perfecta o estequiométrica. Normalmente las reacciones de combustión no son perfectas; siempre existe un exceso de aire y parte de la energía generada se gasta en calentar ese exceso de aire. Puede ocurrir que por el contrario la combustión tenga un defecto de aire; en esos casos se produce monóxido de carbono (CO) y hollín, generando humo de color oscuro.

En la práctica siempre procuraremos contar con exceso de aire para oxidar (quemar) totalmente el hidrocarburo. Para saber la proporción entre el aire real de combustión y el teórico estequiométrico se emplea un parámetro llamado tasa de aireación (n). Así, para: 30

climanoticias/Noviembre 2009

Los valores de concentraciones de productos de la combustión que se consideran normales en la reacción con exceso de aire, que son las que normalmente se presentan en el hogar de una caldera, pueden ser los siguientes:

Control de la combustión El nuevo RITE establece que la revisión del estado de los conductos de evacuación de calderas debe de realizarse cada año en caso de potencias inferiores a 70 kW y para potencias superiores, 2 veces al año. Las inspecciones de los generadores de calor que utilicen combustibles gaseosos se efectuarán cada 5 años para potencias de entre 20 y 70 kW, para más de 70 kW, cada 4 años.

Para las comprobaciones del estado del generador y en concreto de la combustión debemos medir ciertos parámetros que nos darán idea de la calidad en la combustión, del nivel de contaminación o emisión de gases perjudiciales a la atmósfera.

Para realizar el control de la combustión de un aparato de gas tendremos en cuenta los siguientes factores: las condiciones del local (ventila-

artículo técnico ción, potencia de extractores de humos de cocinas, …) y las condiciones del aparato (rampas de quemador limpias, intercambiador de calor sin restos de inquemados, estanquidad de los tubos de evacuación,…).

En el RITE en su IT 3 de Mantenimiento y uso se incluye un programa de gestión energética contenido en el “Manual de Uso y Mantenimiento” de la instalación basado en las operaciones de mantenimiento y mediciones a realizar y registrar en generadores de calor que utilizan combustibles convencionales. Así recogemos la siguiente tabla de acciones preventivas con su periodicidad, estableciendo los controles de CO y CO2 en la combustión de calderas individuales inferiores a 70 kW de forma bianual.

te (pasados unos cinco minutos del inicio de la prueba y cuando la máquina está a 60 o 700C). c) Valores límite. Cada Comunidad Autónoma puede fijar los niveles de emisión de CO, así, en el caso de la Comunidad de Madrid, según la orden 2910/1995 del 11 de diciembre, Boletín de la Comunidad de Madrid nº 303 de 21 de diciembre de 1995, la cantidad de CO corregido o no disuelto no debe pasar de 0,1% o 1000 ppm en chimenea.

La compañía suministradora puede precintar los aparatos cuando se superan las 800 ppm. Se recomienda realizar una revisión del aparato cuando se superan las 400 ppm en chimenea.

Medidas en generadores de calor

Periodicidad 20 < P < 70 kW Cada 2 años

Cada 3 meses

Cada mes

Temperatura ambiente del local o sala de máquinas

Cada 2 años

Cada 3 meses

Cada mes

Temperatura de los gases de combustión

Cada 2 años

Cada 3 meses

Cada mes

Contenido de CO y CO2 en los productos de combustión

Cada 2 años

Cada 3 meses

Cada mes

Índices de opacidad en los humos de combustibles sólidos o líquidos y de contenido de partículas sólidas en sólidos

Cada 2 años

Cada 3 meses

Cada mes

Tiro en caja de humos de la caldera

Cada 2 años

Cada 3 meses

Cada mes

a) Punto de medición. Éste varía según la empresa mantenedora pero habitualmente se toma la muestra en la embocadura de la salida del aparato al conducto de evacuación, en la parte central, donde los gases están a mayor temperatura. b) Momento de la medición. En el momento del arranque se generan altas concentraciones de CO; por eso la medición debe realizarse cuando el aparato está en régimen permanenclimanoticias/Noviembre 2009

P > 1000 kW

Temperatura o presión del fluido portador en entrada y salida del generador de calor

Previamente a la medición de los productos de la combustión se puede comprobar de manera visual la calidad de la llama. Una buena combustión se corresponde con llamas firmes y azuladas de igual longitud; una mala combustión se corresponde con llamas desiguales, flácidas o separadas del quemador y brillantes con rebordes rojos o amarillentos.

La medición se realiza poniendo el interruptor de ajuste de gas al máximo en calderas murales y trabajando a máxima potencia y máximo caudal en calentadores. Una vez hecho esto tenemos que conocer:

32

70 < P < 1000 kW

En este ejemplo vemos tres análisis de combustión efectuadas a una caldera mixta atmosférica de 24 kW (20.000 kcalh) para un caudal de a.c.s. constante a 10 l/min y a tres niveles de potencia distintos: mínima, media y máxima.

A la vista de los resultados obtenidos, podemos sacar las siguientes conclusiones: 1. Conforme aumenta la potencia del aparato, se incrementa la temperatura de humos.

2. En estas condiciones, el exceso de aire en

Ahorro y eficiencia energética

la mezcla se reduce puesto que hay mayor cantidad de combustible a quemar. Lógicamente, aumentan las concentraciones de CO2 y CO, aunque siempre por debajo de los valores límites admisibles.

3. Las emisiones de CO2 varían siendo menores, como es de esperar, para menor potencia desarrollada en el quemador, menor cantidad de hidrocarburo quemado.

4. La variación del rendimiento de la combustión varía también en función de la potencia, siendo menor a menor potencia. Este efecto en calderas estancas se puede aminorar contando con una gestión de la cantidad de aire para la combustión proporcional a la cantidad de gas que se quema, contando con ventiladores de velocidad variable.

En definitiva podemos concluir que siempre debemos de contar con quemadores ajustados para mejorar el rendimiento, y sobre todo las emisiones de CO, pero que no contaremos con una mejora sustancial de dicho rendimiento. Incluso con quemadores a baja temperatura no tendremos mejoras notables de rendimiento, aunque sí de emisiones de NOx. Debemos pensar en un nuevo planteamiento pues la tecnología de la combustión convencional ya la hemos agotado.

Pensemos en la mejora del rendimiento aprovechando la potencialidad de los productos de la combustión, aprovechemos la energía del vapor de agua procedente de la combustión al pasar a estado líquido, al condensar.

El rendimiento de la combustión La mayor preocupación para todos nosotros como usuarios finales de un generador que utiliza una fuente de energía convencional, y más si toca nuestro bolsillo, es el consumo de gas o gasóleo, la cantidad de combustible necesario para la combustión. Para comprobar el consumo de combustible de un aparato a gas habrá que definir primero una serie de conceptos: Consumo es la cantidad de fluido (combustible o comburente) que pasa por una conducción en un tiempo determinado.

Potencia es la energía aportada por una máquina en la unidad de tiempo. El generador de calor será tanto más potente cuanto menos tiempo emplee en conseguir calentar el agua en su interior hasta la temperatura prevista.

La unidad de medida es el kilowatio (kW), aunque también se utilizan mucho las kcal/h.

1kW = 860 kcal/h = 3600 kJ/h

Consumo calorífico, Gasto o Carga Calorífica (Qi) es la potencia que desarrolla el aparato combustible al ser quemado. Está dado por el producto entre el consumo de combustible y el Poder Calorífico del combustible. Precisamente, para expresar este concepto echamos mano del Poder Calorífico Inferior (PCI), ya que la temperatura de salida de gases de una caldera o un calentador convencional es siempre superior a 1000C. Por encima de esta temperatura y en condiciones normales de presión atmosférica, todo el agua se encuentra en estado de vapor.

Qi = c • PCI Siendo c: Consumo de combustible en m3/h o kg/h.

PCI: Poder calorífico inferior en kcal/m3 o kcal/kg.

Densidad relativa es la relación entre la masa de un cuerpo y la de otro tomado como referencia, considerando el mismo volumen. Para sólidos y líquidos, es el cociente obtenido entre su masa en volumen y la masa en volumen del agua, que es 1000 kg/m3.

Para los gases es el cociente obtenido entre la masa en volumen de dicho gas y la masa en volumen del aire. Por ejemplo, el propano en fase gaseosa tiene una masa en volumen aproximada de 2,1 kg/m3 y la del aire es de 1,3 kg/m3; por tanto, su densidad relativa será: 2,1 / 1,3 = 1,62 Calor latente de vaporización es la cantidad de calor necesaria para vaporizar el H2O producido en la combustión y en su caso, el mismo calor que desprende el agua al pasar a estado líquido aprovechado en la tecnología de condensación.

Se expresa en kWh por unidad de cantidad de agua (m3 o kg). Es este calor que podemos todavía extraer al vapor de agua antes de salir de la caldera la que podemos aprovechar para mejorar el rendimiento. La manera de enfriar los gases de salida es hacerlos transferir su calor al retorno de calefacción, así calentamos éstos y podemos provocar la condensación de los gases, es el principio básico de la condensación.

Poder Calorífico Inferior (PCI) es la energía desprendida en la combustión completa de la unidad de masa o de volumen de un combustible considerando que todo el agua que se ha producido en el proceso se encuentra en estado de vapor. climanoticias/Noviembre 2009

33

artículo técnico Poder Calorífico Superior (PCS) es la energía desprendida en la combustión completa de la unidad de masa o de volumen de un combustible considerando que todo el agua que se ha producido durante el proceso se encuentra en estado líquido (condensado). Es igual al PCI más el calor latente de vaporización del agua. Los valores de poderes caloríficos y de densidades para los gases combustibles más comunes son:

Potencia útil (Pu) es la potencia que desarrolla el aparato traducida en calentamiento del agua que circula por su serpentín. Se expresa mediante la siguiente fórmula: Pu = Cp • Q • ΔT Siendo Pu: Potencia útil en kcal/h o kcal/min.

Cp: Capacidad calorífica del agua, que es 1 kcal/l 0C Q: Caudal de agua máximo del aparato en litros/hora o litros/min. ΔT: Salto térmico mínimo del agua que pasa para elevar su potencia de 10 a 35°C (ΔT = 250C) Rendimiento (R) es la relación entre la potencia útil que obtenemos al calentar agua y la carga desarrollada por el gas al quemarse. Multiplicado por 100 podremos expresarlo en %.

R= Pu/Q Tipo de caldera

La tecnología de la condensación aplicada al servicio de calefacción de la vivienda no es novedosa. Ya en Alemania Junkers en 1985 inicia la comercialización de la primera caldera individual de condensación, caldera que ya aprovechaba la energía liberada por el vapor de agua contenido en los gases procedentes de la combustión al pasar a estado líquido.

Carga parcial (30%)

Rendimiento mínimo

Estándar

70

84 + 2 log Qn

Baja temperatura

70

87,5 + 1,5 log Qn

Condensación

70

91 + log Qn

Clasificación

★

climanoticias/Noviembre 2009

La tecnología de condensación

Carga nominal (Qn) Tra. Media del agua

34

Nunca encontraremos una caldera convencional con rendimientos del 100%, debemos considerar la pérdida por los gases que salen a la atmósfera, suma del calor sensible y de inquemados y las pérdidas de calor superficial de la caldera con la sala de calderas o la estancia de la vivienda donde está colocada. Existe una directiva europea denominada EN 92/42 relativa al rendimiento de calderas de 4 a 400 kW de combustible convencional (gas o gasóleo). Esta normativa marca unos mínimos de rendimientos de quemador según la tipología de caldera: estándar, de baja temperatura o condensación. (ver cuadro inferior).

La misma EN 92/42 clasifica las calderas en función de la carga o régimen de funcionamiento adjudicando unas estrellas de rendimiento. (ver cuadro inferior).

El RITE prohíbe la instalación en nuestro país de calderas dotadas de ∗ a partir de enero de 2010, así como de cualquier tipo de caldera atmosférica (cámara de combustión abierta). Asímismo prohíbe la instalación de calderas de clasificación de rendimiento igual o inferior a ** a partir de enero de 2012.

A reseñar que la norma europea EN 92/42 está derogada y está en fase de preparación la futura norma llamada EUP (European Using Products) que se recoge en la directiva 32 del 2005 donde se apuesta por definir una clasificación de los generadores de calor según su rendimiento estacional y no por su rendimiento instantáneo como lo hace su predecesora la 92/42.

Tra. Media del agua

Rendimiento mínimo

> 50

80 + 3 log Qn

40

87,5 + 1,5 log Qn

30 (tra. Retorno)

Carga nominal y tra.

Carga parcial al 30% y

Media de 70ºC

tra. Media superior a 50ºC

> 84 + 2 log Qn

> 80 + 3 log Qn

★★

> 87 + 2 log Qn

> 83 + 3 log Qn

★★★

> 90 + 2 log Qn

> 86 + 2 log Qn

★★★★

> 93 + 2 log Qn

> 89 + 2 log Qn

97 + log Qn

artículo técnico La cantidad de energía no es nada desdeñable, hablamos de 540 kcal por litro de agua, que no es más que el calor latente del vapor de agua en suspensión contenido en los gases de combustión. Si una caldera de condensación a pleno rendimiento llega a producir 2 litros de condensados en una hora, significa que en esa hora hemos conseguido un aporte energético extra de 2x540 = 1080 kcal.

En el diseño de estas calderas se tiene en cuenta un intercambiador interno que comunique térmicamente el fluido de retorno de la instalación de calefacción con la salida de gases para provocar que éstos se enfríen y a su vez que el retorno de calefacción aumente su temperatura previo a su entrada en la cámara de combustión. Las primitivas calderas murales de condensación montaban en el circuito de salida de gases un recuperador externo que conseguía condensar pero los rendimientos no eran los conseguidos hoy en día, ni las emisiones de NOx tan reducidas como el producto actual.

La clave de la tecnología de la condensación es conseguir una temperatura de rocío a partir de la cual el vapor de agua de los gases de la combustión comienza a condensar, a ahorrar combustible.

Esta temperatura de rocío varía según el tipo de gas, el gas natural llega a producir hasta 1,7 l/m3 de gas quemado, es el combustible más propicio para condensación, el gasóleo llega a 1 l/kg.

Dependerá del tipo de combustible ya que cuanto mayor sea la cantidad de hidrógeno que hay en el combustible mayor cantidad de vapor de agua, la temperatura de rocío será mayor y se producirá mayor condensación.

PCI Kcal/Nm3

36

climanoticias/Noviembre 2009

La diferencia que existe entre el PCS y PCI es lo que hemos llamado calor latente del vapor de agua que como se puede observar en la tabla inferior vemos que es superior en el caso del gas natural (11 %).

Además de las ventajas que tienen las calderas de condensación acerca del aprovechamiento del calor latente existen otras ventajas como son la reducción de las pérdidas por humos y por transmisión del cuerpo de caldera.

En este gráfico se ve como partiendo de un total de un 111 % de rendimiento y si comparamos una caldera de condensación con una de baja de temperatura, vemos como además de ser menor estas pérdidas por condensación, las producidas por los gases de la combustión son menores también. Estas pérdidas son las que se denominan pérdidas por entalpía de los productos de la combustión, es el calor utilizado en calentar los humos hasta la temperatura por la cual salen por la chimenea. Cuanto más baja sea la temperatura de salida de los gases menos pérdidas se producirán. En una caldera de condensación la temperatura de los gases de combustión se reduce a 30-600C en una caldera de baja temperatura las temperaturas ascienden de 130 a 1900C. Las calderas de condensación se pueden instalar con cualquier tipología de instalación ya sea con radiadores, convectores o suelo radiante.

En todos los casos vamos a poder conseguir rendimientos superiores que con una caldera convencional si utilizamos un sistema de regulación que considere un descenso progresivo de la temperatura que dependa de la temperatura ambiente conseguiremos como muestran las figuras condensación la mayor parte del tiempo de funcionamiento.

PCS Kcal/Nm3

PCS-PCI Kcal/Nm3

PCS-PCI

Metano (CH4)

8.570

9.530

960

1,11

Gas Natural

9.400

10.410

1.000

1,11

Gas Propano

23.160

25.190

2.303

1,09

Gas Butano

28.700

31.140

2.440

1,08

Gasóleo (Kcal/Kg)

10.200

10.870

670

1,06

Ahorro y eficiencia energética

En el gráfico se muestra el funcionamiento de una instalación (línea amarilla), se indica la temperatura de impulsión (línea roja) y retorno de calefacción (línea azul). Si consideramos la temperatura de condensación de los gases de la combustión en torno a los 550C todo régimen de funcionamiento del sistema que esté por debajo de esa temperatura producirá condensados en la caldera. En el gráfico también se muestra que el 95 % del tiempo el sistema esta funcionando en condiciones óptimas para condensar aprovechando el calor latente del vapor de agua y obteniendo mayores rendimientos que con una caldera convencional.

Si observamos la misma gráfica pero simulando un sistema de suelo radiante lo que vemos es que el tiempo en el cual estamos por debajo de esa temperatura de rocío es el 100%.

En los ajustes de la caldera de condensación se debe de manipular siempre la admisión de aire con el objetivo de que sea el mayor admisible, por lo tanto, el mínimo porcentaje de CO2, manteniendo una proporción mínima que garantice desarrollar la potencia esperada del aparato. Esto lleva a mayores proporciones de H2O, así podremos reducir la temperatura de rocío y comenzar a condensar antes, es decir, con menores temperaturas de retorno de calefacción. A medida que se condensa el vapor de agua, disminuye el volumen de dicho vapor en los gases de combustión, esto provoca que la

presión baje y consiguientemente se reduzca todavía más la temperatura de rocío de los gases, se seguirá condensando, siempre que la temperatura de gases se mantenga por debajo de la de rocío. Con una temperatura de gases de combustión inferior a 500C conseguiremos el mayor aprovechamiento de la condensación en una caldera preparada para tal efecto.

En cuanto a las cantidades de CO2 y CO que debemos de ajustar en la caldera se controlará la entrada de premezcla aire-gas de tal manera que el CO en los gases de combustión estén por debajo de 100 ppm y el nivel de CO2 según el tipo de gas y potencia que desarrolla el aparato de forma orientativa:

Tipo de gas

% CO2 a potencia máx.

% CO2 a potencia mín.

Gas natural

9,7

9,2

Propano

11,3

11

Butano

13,4

13,1

Eficiencia energética, energía solar térmica y condensación Desde el año 2000, por imperativo de ordenanzas municipales de algunas localidades españolas, se habla de la obligatoriedad de incorporar una instalación de captación solar térmica para la producción de a.c.s. y el calentamiento de piscinas, obligación que reafirma el Código Técnico de la Edificación y extiende a todo el territorio nacional desde su entrada en vigor en septiembre del 2006.

Para estos sistemas basados en el aporte energético del sol inexcusablemente necesitamos contar con un equipo auxiliar de apoyo, un emisor de calor que aporte la energía necesaria cuando no podamos contar con energía suficiente como para calentar agua de consumo a los niveles de confort demandados por el usuario.

Si además ese equipo es capaz de proporcionar servicio de calefacción y lo hace con bajas emisiones contaminantes y altos rendimientos, guardaremos una línea coherente en el diseño de la instalación al apostar por energías limpias y sistemas térmicos de alto rendimiento.

El RD 47/2007 de 31 de enero recoge el procedimiento de Certificación Energética climanoticias/Noviembre 2009

37

artículo técnico en los Edificios con la premisa de alcanzar la máxima eficiencia en las viviendas apostando por generadores de calor también más eficientes, es decir, que emitan menos CO2, dotando a dichos edificios de una etiqueta ecológica, una etiqueta que indica el grado de compromiso con el medio ambiente.

Hoy en día, cuando se habla de eficiencia energética y la aplicación de energía solar como una instalación térmica más dentro de la vivienda para producir a.c.s., volvemos a plantearnos firmemente relanzar la tecnología de la condensación, si verdaderamente estamos comprometidos con el medio ambiente.

Condensación, una apuesta por el futuro.

Para conseguir rendimientos instantáneos altos y aprovechar al máximo la condensación, a temperaturas exteriores bajas, es imprescindible que los retornos de calefacción se produzcan a baja temperatura para que puedan enfriar los gases de salida y poder aprovechar la energía que ceden los gases al pasar a estado líquido, el objetivo es que los gases de

Las calderas de condensación se pueden instalar con cualquier tipología de instalación, ya sea con radiadores, convectores o suelo radiante salida estén a no más de 100C por encima del agua de retorno de calefacción. Se recomiendan estas calderas para trabajar a baja temperatura de ida a la instalación, como aplicaciones de suelo radiante o radiadores con grandes superficies de emisión.

No obstante, en la mayoría de días en los que trabaja una caldera en nuestro país no contamos con las temperaturas mínimas de proyecto, ni mandamos el agua de primario a radiadores a las temperaturas de cálculo, 38

climanoticias/Noviembre 2009

trabajamos con temperaturas de ida mucho más bajas, propicias para conseguir que se condensen parte de los gases de la combustión y contar con mejores rendimientos que con calderas estándar incluso en instalaciones de radiadores convencionales.

Estas mejoras del rendimiento sumado a los ventiladores modulantes, que consiguen una óptima combustión en el quemador, más la disminución de pérdidas por la carcasa de la caldera al trabajar a menores temperaturas y ser equipos más compactos en dimensiones, hacen de estas calderas, comparadas con calderas convencionales, como la mejor opción si consideramos la eficiencia energética y el menor consumo de combustible y a su vez las mínimas emisiones de CO2 al ambiente.

Los amplios rangos de modulación de potencia, sus mayores longitudes en la evacuación de gases, la facilidad de instalación de la caldera y sus tubos de recuperación de condensados y su fácil mantenimiento confieren a las calderas murales de condensación, frente a calderas convencionales estancas, un futuro prometedor a corto y medio plazo cuando el rendimiento es un factor tan importante o más que la propia potencia del generador de calor.

No hay que dejar de lado nunca el nivel de confort que exige el usuario, nivel de confort satisfecho plenamente con una caldera mural individual como lo ha demostrado durante las últimas décadas. Usuarios que cada vez exigen más cantidad y calidad en el servicio de a.c.s., mas estabilidad de la temperatura de su vivienda, posibilidad de fijar la temperatura de los locales a calefactor y la temperatura de salida del agua caliente, … el confort de la caldera individual a gas frente a la colectiva, con mejor rendimiento y menos emisiones.

Los tiempos cambian y las tendencias del mercado también, sobre todo cuando están impulsadas por las administraciones públicas y cuando conducen mediante la eficiencia de la combustión a la reducción del efecto invernadero en el planeta. Hablamos de calderas con los menores índices de emisión de NOx y con el mayor número de estrellas de rendimiento del quemador, hablamos de calderas de condensación. ■

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artículo técnico artícu

E

AHORRO ENERGÉTICO EN EQUIPOS DE CLIMATIZACIÓN. UN EJEMPLO TECNOLÓGICO VRV, la respuesta en climatización a las propuestas más vanguardistas de la arquitectura actual por Santiago González Marbán Director Oficina Técnica, Daikin AC SPAI N

Introducción Desde hace años la arquitectura ha variado tanto en su concepción como en su forma de aplicación a las necesidades del mercado. Ha habido épocas de máxima expresión arquitectónica en nuestro país, marcadas por las tendencias y diseños de arquitectos extranjeros y españoles; todos ellos dota-

dos de una gran imaginación y con muchas ganas de hacer algo diferente.

Toda expresión arquitectónica tiene, por otra parte, una repercusión directa en los proyectos de climatización que deben tener en cuanta la nueva realidad. Desde el punto de vista meramente práctico para todos los fabricantes de climatización, ha supuesto en primer lugar un reto al tener

Edificio representativo de la arquitectura moderna.

40

Noviembre Diciembre2009 2008 electronoticias/ climanoticias/

Ahorro y eficiencia energética

que adaptar los equipos a las nuevas necesidades de los edificios. Prácticamente nunca, el edificio ha estado al servicio de la climatización. Siempre hemos tenido que adaptarnos a las necesidades del diseño.

Esto ha supuesto un gran desarrollo de nuevos sistemas que pudieran dar respuesta a los, en principio, requisitos casi inalcanzables de la arquitectura.

La creación de oficinas paisaje y aquellas con gran entrada de luz natural, ha sido la tendencia a seguir para cualquier promotor. Sin embargo, las nueva pauta del diseño de la arquitectura moderna lleva aparejado un incremento considerable de las superficies de cristal de los edificios. Esto tiene una consecuencia inmediata: un aumento de la demanda de climatización del edificio.

Además, la necesidad de maximizar el beneficio por m2 construido, hace que los espacios dedicados a las instalaciones se reduzcan en aras a conseguir metros para alquilar.

Y cómo no, los cambios de implantación y ocupación interior al incorporarse nuevos inquilinos, exigían una flexibilidad máxima para cambiar la instalación.

Edificio representativo de la arquitectura tradicional

VRV, la respuesta perfecta a los conceptos de arquitectura más vanguardista El éxito de los equipos VRV no reside únicamente en sus características técnicas que le confieren una ventaja para las instalaciones con parcialización de cargas, sino que radica en la capacidad que han tenido las empresas - como Daikin que lleva comercializando estos sistemas desde 1982- para ir adaptándolo a las diferentes necesidades de cualquier persona que interviniera en el proyecto. Esta “cadena” abarca: desde el promotor hasta el usuario final, pasando por el arquitecto, la constructora, o el instalador así como otros actores principales, sin olvidar aquellos intervinientes más actuales como el Project manager o el commissioning. Incluso los nuevos gestores energéticos han hecho que los fabricantes adaptemos el producto para responder a cualquier demanda.

Tecnología Inverter, para refrigeración y una calefacción precisa y eficiente.

Ahorros en costes energéticos El sistema VRV, cuya traducción literal es Volumen de Refrigerante Variable, es un sistema que permite variar el caudal de refrigerante aportado a las unidades interiores para adaptarse en cada momento a la demanda de cada zona interior.

“La energía más barata, es la que no se consume” con lo que lo mejor es producir exactamente lo que se demanda, ni más ni menos.

Esta adaptabilidad se produce gracias al sistema inverter que incorporan los sistemas VRV. Funciona mediante una regulación de la velocidad de giro de éstos y consecuentemente la cantidad de refrigerante aportada. climanoticias/Noviembre 2009

41

artículo técnico Cálculo de la eficiencia energética Desde su lanzamiento al mercado, los fabricantes que comercializamos este producto hemos defendido la mayor eficiencia energética de este sistema frente a otros convencionales.

El funcionamiento a cargas parciales, la mayor parte del tiempo, permite que el rendimiento estacional pueda elevarse por encima del nominal.

No pretendemos en este documento realizar una estimación del rendimiento en formato Excel, realizado con los datos teóricos de catálogo, sino que creemos que la mejor forma de comparar los resultados con otros sistemas es mediante la herramienta que está reconocida a día de hoy para la verificación del consumo y emisiones de CO2; el programa Calener.

tes de explotación del edificio serán menores durante toda la vida útil del mismo.

En la actualidad se construye cumpliendo los requisitos mínimos por el Código Técnico de la Edificación (CTE), pero hay que tener en cuenta que se marcan “mínimos” y con éstos aunque se mejora bastante la eficiencia energética de los edificios con respecto a la anterior normativa, no se llega a conseguir edificios verdaderamente eficientes.

En este sentido, los coeficientes tomados en este edificio para poder obtener después una buena calificación energética, vienen recogidos en la siguiente tabla:

Edificio de oficinas con sistemas VRV simulado con el programa Calener Pasaremos a analizar un edificio de oficinas situado en Madrid, de nueva construcción. Contará con seis plantas sobre rasante destinadas a oficinas y dos bajo ella destinadas a garaje.

Tiene una superficie útil por planta de 1.200 m2 y cada planta se encuentra dividida en cuatro oficinas independientes, con un núcleo de escaleras y ascensores que comunican todas las plantas.

Lo primero que se debe analizar a la hora de diseñar un edificio energéticamente eficiente es su envolvente. Esto ha de permitir que, tanto en periodos de invierno como en verano, el edificio demande la menor energía para conseguir unas condiciones de confort adecuadas para sus ocupantes.

Es fundamental que su aislamiento sea el correcto. Contrariamente a lo que se piensa, esto no encarece excesivamente su coste ya que si bien la inversión inicial es algo mayor, los cos-

Edificio de Oficinas en Madrid.

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climanoticias/Noviembre 2009

Instalación de Climatización ¿Cómo conseguir que el edificio sea lo más eficiente posible?

Cuando se planteó este proyecto se pensó en varios sistemas de climatización llegando a la conclusión de que solo con un sistema de enfriadora condensada por agua o un sistema VRV podrían obtenerse los resultados que se pretendían conseguir.

Con la instalación de enfriadora condensada por agua sería necesario disponer de un espacio importante en la planta de cubiertas o bien el algunas de las planta sótano destinadas a garaje aparcamiento. Asimismo sería necesario reforzar la estructura en planta de cubierta para instalar una torre de refrigeración.

Por otro lado se tendrían que instalar unos grupos de bombeo para impulsar el agua tratada hacia las unidades terminales de cada zona y habría que prever patinillos de mayor tamaño.

Todo ello iría en detrimento de la superficie útil del edificio.

De la misma manera, en la planta de cubierta no se dispone de excesivo espacio ya que los captadores solares con los que contará la ins-

Ahorro y eficiencia energética

talación reducen mucho el espacio disponible.

Atendiendo a estas premisas arquitectónicas se decide simular, ademas, el sistema VRV de recuperación de calor con la ventaja de que en cubierta, el espacio de utilización es menor así como su peso y por otro lado, permite sectorizar la producción con el objetivo de que no dependa toda la instalación de uno o dos equipos de producción.

Esta simulación tiene como objetivo comprobar si el rendimiento de este tipo de equipos puede superar los sistemas convencionales agua/agua.

Para la simulación energética del edificio se utiliza la única herramienta reconocida en la actualidad Calener-GT. Partiendo de estas premisas, se simula el edifico con los dos sistemas. Como ya comentamos, uno de ellos será una enfriadora + caldera + torre de refrigeración, como sistemas primarios y como sistemas secundarios se utilizarán unidades terminales tipo fan-coils.

Para aportar el aire de ventilación se utilizarán climatizadores con dos baterías, una para frío y otra para calor.

El segundo sistema a simular será con unidades de Volumen de Refrigerante Variable, VRV con recuperación de calor. Las unidades interiores serán de conductos con ventiladores Inverter. Para el aporte de aire exterior se utilizan climatizadores de expansión directa.

Esquema del subsistema de VRV en CALENER-GT, correspondiente a equipos autónomos de refrigerante variable.

Esquema del sistema de enfriadora + caldera + torre en CALENER-GT

Se realiza la introducción de datos en el programa de calificación energética del sistema VRV.

Mediante la simulación energética del edificio con el programa se obtiene una calificación B, con un índice de emisiones de 0,52.

climanoticias/Noviembre 2009

43

artículo técnico Los resultados obtenidos son los siguientes: Seguimos con una calificación B y un índice de emisiones de 0,41:

VRV y por ello se asemejará a lo que en realidad se conseguirá. En este caso, para el edificio de oficinas del ejemplo, la calificación que puede obtenerse es A, con un índice de emisiones de 0,36.

El futuro: VRV

Con el sistema VRV hemos logrado reducir el consumo energético del edificio y, en consecuencia, las emisiones de CO2. Pero esto se puede mejorar. Para la simulación del sistema VRV se han utilizado las curvas que existen por defecto en el programa Calener. Estas curvas no muestran el comportamiento real de los equipos Daikin ya que es una media del comportamiento de este tipo de equipos cuando se realizó el programa.

Con el paso del tiempo, estos sistemas VRV han ido aumentando su rendimiento por lo que su comportamiento no debe ser simulado con las curvas que aparecen por defecto en el Calener.

Es por ello que se ha desarrollado el trabajo de parametrizar las curvas reales de funcionamiento de los sistemas VRV en sus versiones de condensación por aire y por agua, para poder introducirlos en el software de calificación. Así pues, la curva de funcionamiento que introducimos, será la real de los equipos

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climanoticias/Noviembre 2009

El futuro son los sistemas de ahorro energético. En otras palabras, aquellos que permitan reducir el consumo, ofreciendo unas prestaciones que puedan satisfacer las demandas de los usuarios.

Queda demostrado con el comparativo anterior, cómo este tipo de sistemas permiten adaptarse a las demandas de los edificios, adaptando su capacidad en cada momento.

La dirección hacia la que se dirigen los sistemas VRV es la de aportar una solución completa y flexible en cualquier proyecto.

Es por ello por lo que además de aportar frío, calor o ambos simultáneamente en los edificios mediante unidades terminales, además permite integrar el aire exterior necesario por normativa, dentro de los sistemas VRV.

Ahorro y eficiencia energética

Soluciones que se creían exclusivas de los sistemas de agua, como los climatizadores para tratamiento del aire de renovación, pueden realizarse ahora con baterías de expansión directa integradas dentro de los sistemas VRV. También encontramos cortinas de aire conectadas con sistemas VRV evitando así utilizar calentamiento por efecto Joule. Los rendimientos estacionales son 5 y 6 veces superiores que con el calentamiento por resistencias, lo que hace que los periodos de amortización sean bastante reducidos.

Y para ser un proveedor de soluciones globales, el Agua Caliente Sanitaria o los sistemas de suelo radiante pueden incorporarse en los equipos VRV.

Conclusiones No existen a priori sistemas que sean válidos para cualquier tipo de edificio sino que se debe realizar un estudio de las necesidades del proyecto, para en cada caso asignar el sistema que mejor se adapte a ellas.

En este sentido, hemos podido observar cómo un edificio de oficinas como el expuesto en este estudio (con sistema VRV), ha obtenido no sólo mejor calificación que otros equipados con sistemas convencionales sino que además cumple los requisitos de menor espacio ocupado en el interior del edificio y también una mayor parcialización de la producción al elegir mayor número de unidades exteriores y no acudir a una única producción centralizada.

Es muy importante poder simular los sistemas con las curvas de comportamiento real y no con las que vienen por defecto en los programas de simulación. En este sentido, Daikin ha desarrollado esta labor y ofrece las curvas con las características reales de funcionamiento ya que el funcionamiento de los equipos debido a la continua innovación hace que sea mejor que lo representado por defecto en los programas de simulación energética.

Por todo lo anterior creemos que los sistemas VRV pueden seguir aportando las soluciones de eficiencia energética necesarias en los diferentes proyectos que se desarrollen además de otorgar otras ventajas asociadas a un menor espacio ocupado, sistemas de recuperación de calor, menores servidumbres o incluso regulación de compresores y ventiladores con tecnología Inverter para la minimización del nivel sonoro.

Y cómo no, el respeto por el medio ambiente se traduce en el ahorro de emisiones de CO2 con respecto al sistema convencional.

Según los datos del Calener, la diferencia de Kg. de CO2 emitidos por cada metro cuadrado entre la solución de enfriadoras con torre y caldera y un sistema VRV recuperación de calor de condensación por aire está en 11,6 (37,8-26,2) Kg CO2 /m2 año. Esto supone para el total de superficie una minoración en la emisión de 83.520 Kg. CO2 si acudimos a los sistemas VRV. ■ climanoticias/Noviembre 2009

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especial monográfico

artículo técnico artícu

Investigación, Desarrollo y Control de los cinco prototipos de Pse-arfrisol La simulación clave en la optimización de cada prototipo por María del Rosario Heras, Jose Antonio Ferrer, Julio José Pérez,

Silvia Soutillo, Cristina San Juan, Jesús Heras Unidad de Eficiencia Energética en la Edificación, CIEMAT

E E

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Noviembre Diciembre2009 2008 electronoticias/ climanoticias/

l objetivo del Proyecto Singular Estratégico sobre Arquitectura Bioclimática y Frío Solar (PSE-ARFRISOL) es la adecuación de la arquitectura bioclimática y de la energía solar para el acondicionamiento térmico de edificios como su propio nombre indica. Investigadores del CIEMAT y de las diferentes empresas e instituciones involucradas están analizando y monitorizando (evaluando en condiciones reales de uso) cinco contenedores – demostradores de investigación, C-DdI (edificios de oficinas), tanto de nueva planta, como ampliaciones, o a rehabilitar, construidos en cinco lugares

con climatologías diferentes (Almería: Universidad y Plataforma Solar de Almería, Madrid, Soria y Asturias) que serán capaces de ahorrar de un 80 a un 90 % de la energía convencional que precisarían para calefacción y refrigeración.

Para conseguir los niveles de ahorro energético en climatización fijados en el proyecto se han seguido dos líneas de actuación: la primera ha consistido en el uso de una serie de sistemas y estrategias pasivas, basadas exclusivamente en el diseño arquitectónico y constructivo, cuyo objetivo es reducir la energía efectiva que necesita el C-DdI para

Ahorro y eficiencia energética

conseguir las condiciones de confort, esto es, reducir las cargas debidas a las características energéticas propias del mismo.

La segunda línea de actuación agrupa en realidad un conjunto de actuaciones que se han centrado en la optimización de los sistemas activos que deben cubrir la demanda energética del edificio, incorporando las estrategias bioclimáticas y los sistemas renovables a los procesos de producción y de climatización.

Se estima que el ahorro debido a estas actuaciones esté distribuido de la siguiente forma: el 60 % en climatización correspondería al correcto diseño arquitectónico, empleando estrategias bioclimáticas pasivas adaptadas al clima y al lugar, mientras que de un 10 % a un 20 % sería resultado del uso de sistemas solares activos.

En aquellos edificios que cuentan con calderas de biomasa se estima un ahorro adicional de, al menos, un 10 %.

Un aspecto que no debe olvidarse es el de contar con sistemas de producción modulables que permitan ajustar la producción a la demanda que los sistemas renovables no sean capaces de cubrir, dando prioridad al consumo de energía de fuentes renovables. También es fundamental contar con un sistema de control lo suficientemente flexible y potente para que permita realizar una gestión adecuada de todos estos sistemas, coordinándolos de forma eficaz, e ir adaptando el funcionamiento de la instalación al uso real de la misma.

SIMULACIÓN DE INSTALACIONES DE CONFORT. NUEVOS MODELOS PARA LA INSTALACIÓN DE REFRIGERACIÓN SOLAR Durante la fase de proyecto de cada uno de los C-DdI, se ha recurrido a herramientas de simulación para la valoración y selección de las actuaciones anteriormente descritas. En el caso de las instalaciones de frío solar las simulaciones han sido fundamentales a la hora de prever el funcionamiento de las mismas. Ha sido en esta etapa, en las fases de análisis y desarrollo de modelos para la simulación de las mismas, donde la Unidad de Eficiencia Energética en la Edificación (UiE3) del CIEMAT ha centrado sus esfuerzos.

Para el PSE-ARFRISOL se seleccionaron los equipos Climatewell como sistemas de absorción de baja temperatura para la producción de frío a partir de la energía del Sol. Estas máquinas, en contraste con los sistemas de absorción tradicionales (BrLi/agua o NH3/agua), son capaces de almacenar la energía en forma de sales cristalizadas. Cada máquina está compuesta por dos barriles que pueden funcionar alternativamente, uno en carga y otro en descarga (para garantizar

el funcionamiento continuo), pero también pueden trabajar simultáneamente almacenando la energía procedente del campo solar o cediendo la energía almacenada al edificio.

El objetivo principal de la investigación llevada a cabo en este caso, se centraba en optimizar la operación del sistema de absorción, compuesto por varias unidades Climatewell CW10 conectadas en paralelo, con una potencia pico de refrigeración de 20 KW y una capacidad de almacenamiento de energía de 60 Kwh por máquina. El análisis realizado buscaba optimizar la contribución solar del sistema de absorción a la demanda energética de los edificios. A tales efectos, se desarrolló un sistema dinámico en el que se ha acoplado el funcionamiento del sistema solar de calefacción y refrigeración con la demanda horaria de los edificios. Se han simulado los diferentes modos de funcionamiento de cada una de las instalaciones con respecto a las demandas horarias de cada uno de los C-DdI, gracias a lo cual se han obtenido los principales parámetros de funcionamiento de las instalaciones, así como el porcentaje de ahorro aportado por la instalación solar a las demandas de calefacción y refrigeración. Para la simulación del edificio y de la instalación de calefacción y frío solar se ha utilizado el programa de simulación energética TRNSYS. Una vez conocida la demanda energética del cada uno de los CDdI y el funcionamiento de las instalaciones solares proyectadas, es posible realizar la evaluación energética global de cada uno de los edificios, separando el ahorro debido a las estrategias bioclimáticos y el ahorro debido a la cobertura de la instalación solar.

Para obtener estos resultados, se ha seguido la siguiente metodología de investigación: Ä Cálculo de las demandas de cada C-DdI incorporando las estrategias bioclimáticas del diseño. climanoticias/Noviembre 2009

47

artículo técnico Ä Modelización de las unidades CW10 de absorción. Ä Desarrollo de un entorno de simulación que permita acoplar el campo solar, el sistema de refrigeración solar y la demanda horaria de cada edificio. Ä Modelización de un modelo complejo que incluye el funcionamiento varias máquinas de absorción CW10. Este modelo permite optimizar la operación, decidiendo la secuencia de carga y descarga de cada barril en función de la energía solar disponible y de la demanda del edificio. Ä Optimización del funcionamiento global del sistema. Ä Obtención de los balances energéticos globales respecto a edificio de referencia.

EDIFICIOS AL DETALLE Los cinco C-DdI son todos singulares y en cada uno de ellos se han aplicado diferentes técnicas solares pasivas y activas adaptadas a la climatología específica de la zona donde han sido construidos.

Como denominador común, estas construcciones tienen una superficie aproximada de 1000 m y están diseñadas para uso de oficinas. De las medidas solares pasivas comparten la orientación norte-sur, el aprovechamiento de la inercia térmica de los materiales y sistemas constructivos, ganancia directa a través de huecos acristalados e indirecta a través de muros (opacos) y siste-

Vista general de las fachadas este y norte.

Edificio CIESOL. 48

climanoticias/Noviembre 2009

mas híbridos como invernaderos, fachadas ventiladas, sombreamientos tanto en cubiertas como en fachadas sur, este y oeste, ventilación cruzada y por chimeneas solares, humectación natural o desecamiento del aire, etc.

En cuanto a las medidas solares activas, todos los C-DdI cuentan con un campo de captadores solares planos, cuya producción se utiliza para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) y para alimentar los sistemas de calefacción de cada C-DdI; paneles fotovoltaicos cuya energía se utiliza para autoconsumo de la propia instalación; máquinas de absorción para la producción de frío. Aunque también se han utilizado otros sistemas novedosos como, por ejemplo, los sistemas de intercambio energético con el terreno (agua-agua o aire-aire) o el sistema de enfriamiento radioconvectivo, etc.

El Centro de Investigaciones en Energía Solar (CIESOL) está ubicado en la Universidad de Almería (UAL), clima mediterráneo, y alberga a investigadores de la propia Universidad y del CIEMAT. El edificio cuenta con laboratorios y oficinas para el personal docente de la Universidad y una sala polivalente que se utiliza puntualmente para dar conferencias o cursos de master.

La ocupación del edificio es baja en las oficinas y laboratorios, durante el horario laboral de la Universidad. El salón de actos es el único espacio que tiene un nivel de ocupación puntual elevado.

La demanda energética del edificio se controla mediante las siguientes estrategias bioclimáticas

artículo técnico Sala de máquinas y laboratorio de frío solar del edificio CIESOL.

pasivas, además de las comunes anteriormente expuestas: diferenciación de fachadas según orientación, fachadas ventiladas en las orientaciones este, sur y oeste; el sombreamiento de huecos y ventanas mediante el retranqueo de los mismos en la fachada; y la instalación de una cubierta con doble inclinación, sombreada por los campos solares térmico y fotovoltaico. Además, puede emplearse la ventilación natural cruzada para refrigerar su espacio interior.

La ventilación natural se realiza a través de los huecos, mientras que la climatización se realiza mediante un sistema aire-aire basado en fancoils.

Estos elementos están conectados a un único cir-

Campos solares térmico y fotovoltaico.

Edificio CIESOL. 50

climanoticias/Noviembre 2009

cuito hidráulico que puede ser alimentado desde los captadores solares o desde la máquina de absorción. Cada despacho cuenta con un fancoil de tal forma que el consumo se produce cuando hay una ocupación real del espacio, con el consiguiente ahorro de energía.

La producción de agua caliente cuenta con un sistema de acumulación capaz de absorber los picos de producción y de servir de reserva energética para cubrir posibles demandas en momentos de poca radiación. La energía almacenada en los depósitos, o la que viene directamente del campo solar, puede utilizarse en la calefacción del edificio conectando este circuito con la

Ahorro y eficiencia energética

red de distribución a fancoils del edificio; o en la refrigeración del mismo, previo paso por una máquina de absorción encargada de la producción de agua fría.

En serie con el campo de captación, antes de la conexión a los puntos de consumo (red de distribución a fancoils y máquina de absorción) existe una pequeña caldera que asegura en todo momento que la temperatura del agua es la correcta para ambos procesos (la máquina de absorción necesita de unas condiciones mínimas de temperatura en el circuito de entrada de calor). La bomba de calor se utiliza únicamente para simular cargas en el edificio cuando este se encuentra sin ocupación.

El C-DdI del Edificio 70 del CIEMAT está destinado al grupo de investigación en Biomedicina del CIEMAT en Madrid (clima continental medio) contando con el equipamiento necesario para dicha actividad: laboratorios, almacenes, despachos y sala de reuniones.

Debido a la propia actividad del edificio, las instalaciones de climatización deben asegurar una disponibilidad del servicio, al menos para los laboratorios y almacenes, de 24h los 365 días del año. Los espacios situados en la planta baja (despachos, recepción y sala de reuniones) tienen un uso de oficinas, con una ocupación más o menos constante a lo largo del día, quedándose vacíos durante la noche. Esta parte del edificio sería la más

FICHA TÉCNICA C-DdI CIESOL Superficie

1.070 m2 en total

Frío Solar

1 máquina de absorción- Potencia frigorífica 70 kW.

Térmica

Captadores solares. - Superficie instalada 160 m2

Fotovoltaica

Campo solar fotovoltaico. - Potencia instalada 9,3 kWp

Calefacción

1 calderas de gas natural. / Bomba de calor.

parecida, en cuanto a superficie y uso, al resto de C-DdI. El contenedor cuenta con las siguientes técnicas solares pasivas para controlar la demanda, además de las comunes anteriormente expuestas: fachadas ventiladas, acristalamientos selectivos por plantas y orientaciones, así como sombreamientos en fachada sur mediante viseras de vidrio que a la vez soporta la instalación fotovoltaica del edificio y, por último, una pérgola metálica en cubierta que sirve al mismo tiempo de sombreamiento y de soporte a los captadores solares térmicos.

Los captadores solares térmicos están conectados en series de dos grupos de 3 captadores en paralelo, buscando una temperatura de salida del campo de captación lo mayor posible. El agua caliente obtenida se utiliza para precalentar el agua fría de red que entra en la red de recirculación de ACS del edificio. Una mejora que se está llevando a cabo consiste en conectar el circuito primario solar con el circuito de retorno de ACS, de tal forma que desde el aporte solar

Vista general de las fachadas oeste y sur.

Edificio ED70. climanoticias/Noviembre 2009

51

artículo técnico

Grupo de máquinas de absorción. Sala de máquinas de Edificio ED70.

puedan cubrirse también las pérdidas de calor debidas a la circulación y la acumulación.

Una vez cubierta la demanda de ACS se envía el agua caliente hacia el intercambiador con el circuito de acumulación, formado por cuatro depósitos en serie, desde los que puede alimentar tanto el circuito primario de calefacción como a las máquinas de absorción. La conexión con el circuito primario de calefacción se realiza en una de las ramas de retorno de los circuitos secundarios de distribución (la distribución a UTAs e inductores se realiza a cuatro tubos). El sistema de control ajusta la temperatura de salida de este intercambiador, elevando la temperatura del colector del retorno hasta las condiciones de impulsión para evitar el arranque de las calderas. De este modo, desde un único punto de conexión, es posible cubrir la demanda de todos los circuitos de consumo

Paneles solares fotovoltaicos vidrio-vidrio.

Fachada sur del Edificio ED70.

tanto de las UTAs como de los elementos terminales.

El agua fría producida en las máquinas de absorción se utiliza únicamente en el circuito de distribución a los inductores de la planta baja.

Estos equipos requieren unas condiciones de temperatura menos exigentes que las climatizadoras (18 ºC frente a 7 ºC) lo que permite prolongar la utilización de la energía almacenada en las máquinas de absorción. En serie al aporte desde las máquinas de absorción existe una conexión a la producción de agua fría “convencional” que asegura que en todo momento se consiguen las condiciones de impulsión necesarias. La central producción “convencional” consta de dos calderas de gas natural, dotadas de quemadores modulantes, y dos enfriadoras de compresión con cuatro etapas de potencia cada una.

Por último, solo queda citar que la instalación también cuenta con un sistema de regulación de iluminación en función del aporte de luz natural.

52

climanoticias/Noviembre 2009

es

del .

Ahorro y eficiencia energética

El C-DdI de la Fundación Barredo en San Pedro Anés, Siero (Asturias), es el edificio sede del Centro de Investigación de Fuegos y Ventilación en Túneles. Se trata de un edificio singular que alberga las oficinas y el centro de control de los ensayos realizados en el túnel por la fundación encargada de la explotación del mismo.

Además, el edificio cuenta con aulas para la formación a bomberos.

Las estrategias pasivas implementadas en este edificio son, además de las comunes anteriormente expuestas: diseño diferenciado de fachadas en función de la orientación, el uso del efecto invernadero en los espacios acristalados en orientación sur para el aprovechamiento solar en invierno y verano, aislamiento potenciado a norte junto con una reducción del porcentaje de huecos para minimizar las pérdidas de calor, una distribución en plantas estrechas que facilita combatir la elevada humedad relativa mediante la ventilación cruzada de los espacios (controlada mediante ventanas abatibles motorizadas), sobrecubiertas de protección solar que tienen el efecto de reducir la ganancia solar en verano, y parasoles en acristalamientos proteger de la radiación solar incidente entre el 21 de marzo al 21 de septiembre y permitiendo la ganancia solar a través de huecos acristalados el resto del año.

La producción, tanto de calor como de frío, es enteramente renovable. El calor se consigue

FICHA TÉCNICA C-DdI ED 70 CIEMAT Superficie

2.047,30 m2 en total

Frío Solar

4 máquinas de absorción.- Potencia total 40-80 kW.

Térmica

Captadores solares (TIM).- Superficie instalada 180 m2

Fotovoltaica

Campo solar fotovoltaico.- Potencia instalada 5.7 kWp

Calefacción

2 calderas de gas natural (170 kW/maq).

Refrigeración

2 enfriadoras agua-aire (200 kW/maq).

mediante el uso de energía solar (instalada en la sobrecubierta orientada al sur) y biomasa, mientras que la producción de frío para climatización se consigue mediante máquinas de absorción alimentadas con el agua caliente producida en los equipos anteriores. La disipación del calor generado en las máquinas de absorción se hace en el terreno, mediante una red de tubos enterrados horizontales construidos aprovechando una actuación para la mejora del terreno durante la fase de construcción previa a la cimentación.

La climatización de cada zona se realiza mediante un sistema mixto basado en unidades de tratamiento de aire locales y suelo radiante, tanto para calefacción como para refrigeración.

La distribución hasta las unidades de tratamiento de aire de los locales se realiza a cuatro tubos.

Durante el inverno, las UTAs utilizan el aire precalentado por efecto invernadero acumulado en

Vista general de Edificio de la Fundación Barredo climanoticias/Noviembre 2009

53

artículo técnico Detalle de los paneles fotovoltaicos vidrio-vidrio.

Edificio F.BARREDO.

Instalación de producción de calor mediante caldera de biomasa.

Edificio F.BARREDO.

54

climanoticias/Noviembre 2009

la galería y el invernadero, fundamentalmente en invierno, para realizar un calentamiento gratuito de las salas de planta primera y segunda.

Utilizándose el suelo radiante como un sistema de apoyo y para proporcionar confort a las salas.

Durante el verano los usuarios de las salas de las plantas primeras y segunda pueden recurrir a ventiladores “habaneros” que consiguen, mediante la circulación del aire de la propia sala, una sensación de frescor que permite trabajar con consignas de temperatura, para los sistemas de climatización, más altas en verano con el consiguiente ahorro energético. En esta época, el sistema de control permite la circulación libre del aire de la galería sur, convirtiéndola en una galería ventilada que disminuyendo el efecto de la ganancia solar. Cuando es necesario recurrir a las UTAs, éstas utilizan el aire exterior de la fachada norte, no conectada a la galería, para realizar un enfriamiento gratuito de las salas siempre que sea posible, utilizando el suelo radiante (que en esta época funciona como suelo refrescante alimentado por el agua fría de las máquinas de absorción) como apoyo.

Por último, la instalación de captación solar fotovoltaica, situada en vertical en parte de la galería acristalada orientada al sur, tiene una doble función, servir de sombreamiento a las zonas interiores, y producir electricidad para autoconsumo de la propia instalación.

artículo técnico FICHA TÉCNICA C-DdI FUNDACIÓN BARREDO Superficie

1.405 m2

Frío Solar

5 máquinas de absorción - Potencia instalada 50-100kw

Térmica

Captadores solares - Superficie instalada 88 m2

Fotovoltaica

Potencia instalada 4.1 kWp - 70 módulos. Instalación a 90º

Calefacción

Caldera de biomasa - Potencia 120 kW.

El C-DdI el Centro de Control y Accesos del Centro de Desarrollo de Energías Renovables (CEDER) situado en Lubia (Soria), consiste en la rehabilitación de un edificio ya existente. El planteamiento bioclimático consiste fundamentalmente en protegerse del clima (continental extremo); para ello se recurre a plantas compactas, que en gran medida vienen dadas por el edificio existente, pero que se mejoran con la intervención consiguiéndose una superficie de fachada algo mas extensa a sur, algo muy adecuado para un clima como el de Soria.

La cubierta se protege en su parte más alta contra la radiación solar incidente en verano y las pérdidas energéticas por radiación hacia el cielo en invierno, con dos sobrecubiertas en voladizo, libremente ventiladas, orientadas una a norte y otra a sur. Estas sobrecubiertas sirven de soporte a los captadores solares térmicos, en el caso de la orientada a sur, y del circuito de emisión a la bóveda celeste en el caso de la orientada a norte.

Además, sirven de sombreamiento a los huecos de primera planta, en fachada sur, y son soporte de los parasoles de lamas inclinadas de planta baja, mediante al uso de tirantes de acero. Los parasoles están calculados para proteger de la radiación solar incidente del 21 de marzo al 21 de septiembre, permitiendo la ganancia solar a través de huecos acristalados el resto del año.

Para evitar el uso de sistemas activos, se emplea la ventilación cruzada forzada, mediante extractores eólicos situados en el frente sur. La toma

Vista general de las fachadas este y sur. Edificio CEDER. 56

climanoticias/Noviembre 2009

Doble pérgola para los campos de captadores solares térmicos y paneles radioconvectivos.

Cubierta del edificio CEDER.

de aire se realizará en la fachada norte a través de los filtros húmedos, de manera que se produce una refrigeración adiabática del aire de ventilación sin consumo energético y que se puede emplear tanto de día como de noche.

La producción de calor y de frío se realiza únicamente mediante fuentes de energía renovable, energía solar térmica y biomasa para producir calor, y máquinas de absorción de baja temperatura para producir frío. La disipación del calor generado en las máquinas de absorción se hace en el terreno mediante una serie de pozos verticales.

La climatización del edificio se realiza fundamentalmente mediante suelo radiante tanto para calefacción como para refrigeración. En los lugares de mayor ocupación puntual (auditorio, comedor, cocina, etc.) la climatización se realiza mediante climatizadores y fancoils, en algunos casos con el suelo radiante como apoyo. La distribución has-

Ahorro y eficiencia energética

Instalación solar fotovoltaica.

Acceso al edificio CEDER.

ta estos elementos es a cuatro tubos. También existe la posibilidad de realizar un enfriamiento nocturno de los forjados conectando el suelo radiante al campo de paneles radioconvectivos.

La instalación de captación solar fotovoltaica, situada sobre los cobertizos de la entrada, se emplea como autoconsumo del C-DdI. El C-DdI de la PSA-CIEMAT acoge a investigadores de la Plataforma Solar de Almería (PSA), y por tanto su uso es el de oficinas. Dada la climatología propia de la PSA (clima desértico), las técnicas solares pasivas empleadas han sido, además de las comunes anteriormente expuestas: diferenciación de fachadas según orientación, iluminación natural

FICHA TÉCNICA C-DdI CEDER Superficie

1.088 m2

Frío Solar

5 máquinas de absorción - Potencia instalada 50-100kw

Térmica

Captadores solares (TIM) - Superficie instalada 126 m2

Fotovoltaica

Potencia instalada 7.5 kWp

Calefacción

2 Caldera de biomasa - Potencia 100 + 48 kW

de las circulaciones con galería a norte, inercia térmica al exterior para protegerse de la gran diferencia de temperatura noche-día, chimeneas solares destinadas a refrigerar en verano el interior de la construcción mediante la ventilac ión natural de las salas, y el sombreamiento de los despachos situados en la fachada sur, mediante retranqueo de la

Vista general de las fachadas este y sur.

Edificio PSA. climanoticias/Noviembre 2009

57

artículo técnico Doble pérgola para los campos de captadores solares térmicos y paneles radioconvectivos.

Cubierta del edificio PSA.

misma, que sirve de soporte a la instalación solar fotovoltaica, y de la cubierta mediante una doble pérgola metálica que sirve de soporte al campo de captadores solares térmicos y al campo de paneles radioconvectivos.

La producción de agua caliente “renovable” se utiliza directamente para la producción de ACS en un interacumulador, la calefacción del edificio y para alimentar al grupo de máquinas de absorción de baja temperatura encargadas de la producción de agua fría de climatización.

La producción “convencional” consiste en una

Vista de la fachada norte y casetones de entrada de los tubos enterrados.

Edificio PSA. 58

climanoticias/Noviembre 2009

bomba de calor reversible (agua-aire) con dos etapas y la distribución hacia los elementos terminales es a dos tubos. El sistema de control se encarga de supervisar el nivel de ocupación y la demanda de cada sala para, por un lado decidir en qué modo de funcionamiento (frío o calor) debe estar la producción, y por otro, aprovechando la sectorización de los circuitos de consumo, ajustar el funcionamiento a la demanda real del edificio.

El aporte de calor desde la parte renovable al circuito primario de calefacción, que es al que

Ahorro y eficiencia energética

FICHA TÉCNICA C-DdI PSA CIEMAT Superficie

1.114,96 m2

Frío Solar

4 máquinas de absorción.- Potencia total 40-80 kW.

Térmica

Captadores solares (TIM).- Superficie instalada 180 m2

Fotovoltaica

Potencia instalada 8,1 kWp 108 módulos x 75 Wp. Inclinación 90 º.

Calefacción

Bomba de calor – Potencia 100 kw

están conectados todos los elementos de la instalación, se realiza a través de un intercambiador situado entre los colectores de impulsión y retorno, aunque también existe la posibilidad de conectar directamente la instalación solar al circuito de suelo radiante mediante un intercambiador.

En cuanto a la instalación de climatización, consiste en un sistema mixto basado en unidades de tratamiento de aire (UTA) e inductores combinados con suelo radiante. El volumen de aire necesario para la ventilación del edificio, es pretratado en las UTAs e introducido, tanto en los despachos como en las zonas comunes, a través de los inductores.

Durante el invierno la calefacción se realiza fundamentalmente a través del suelo radiante, apoyado por el aporte de aire “atemperado”, nunca a más de 200C, introducido por las UTAs. Mientras que durante el verano, la refrigeración se realiza mediante el aire frío tratado en las UTAs que puede ser localmente subenfriado (según la demanda de cada usuario) recurriendo a la batería de los inductores. En esta época del año, cuando la instalación solar alimenta directamente el circuito de suelo radiante, la instalación pasa a funcionar como una instalación a cuatro tubos (los dos de los inductores y los dos del suelo radiante).

Otras de las técnicas aplicadas a este edificio son la utilización de conductos subterráneos de aire para el pretratamiento térmico del aire primario que se introduce en el edificio (disminuyendo el salto térmico que debe cubrir la instalación para llevarlo hasta las condiciones de confort), y el enfriamiento nocturno del forjado, evacuando el calor acumulado en el forjado hacia la bóveda celeste, mediante la conexión durante las noches de verano de los paneles radioconvectivos al circuito general de suelo radiante.

El edificio cuenta con un sistema de regulación de la iluminación que regula las luminarias en función del aporte de luz natural en cada despacho, consumiendo únicamente la energía necesaria para mantener el nivel óptimo de iluminación en la sala. Las zonas comunes y el alumbrado exterior también se controlan mediante detectores de presencia y sensores de luminosidad exterior.

A continuación, y a modo de ejemplo, se expondrá el trabajo realizado durante la simulación del C-DdI correspondiente al Subproyecto 4 construido en la Plataforma Solar de Almería (PSA). climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico

Demanda energética del edificio.

Esquema de principio de la instalacion de frio solar.

Funcionamiento en modo refrigeración.

Aplicación de la metodología de simulación al CdDI de la PSA La simulación de sistemas activos en TRNSYS se realiza mediante la conexión de los diferentes elementos que conforman la instalación solar (captadores, acumulación, calderas, máquinas de absorción, etc).

Estos elementos se conectan entre sí siguiendo el esquema de principio proyectado e insertando los controles necesarios para que la instalación funcione según lo previsto.

La interacción del funcionamiento de los sistemas solares activos con las demandas del edificio se ha realizado del siguiente modo: Ä Se han obtenido las demandas mediante las simulaciones del edificio incluyendo todas las estrategias pasivas diseñadas.

Modelo Trnsys de la instalacion de frio solar.

Funcionamiento en modo refrigeración.

Cobertura solar durante el verano.

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climanoticias/Noviembre 2009

Ä Estas demandas se han impuesto sobre una corriente fluida. Esta corriente fluida simula el sistema de distribución de frío y calor en el edificio: Ä En el caso de demandas de calefacción, el sentido negativo indica que le robamos energía a la corriente fluida, de modo que a la salida del

Ahorro y eficiencia energética

Balance energético total del CdDi PSA.

edificio el agua vuelve a las instalaciones más fría de como había entrado. Ä En el caso de demandas de refrigeración, las cargas son positivas, de modo que la corriente fluida gana calor, que ha extraído del edificio. Ä De este modo es posible simular la interacción de instalaciones y edificio en intervalos de tiempo menores que una hora, lo que permite conocer mejor la dinámica de los sistemas e incluso la dinámica de respuesta del edificio.

El perfil anual de las demandas obtenidas por simulación, para el C-Ddi de la PSA, muestra valores máximos de 80 W/m2 en calefacción y refrigeración, lo que para una superficie total acondicionada de 860 m2 significa una demanda pico de 70 kW. La razón de la estabilidad anual de las demandas se deriva principalmente del buen funcionamiento bioclimático del edificio. Las figuras anexas muestran el esquema de principio, en modo refrigeración, proyectado para el C-DdI de la PSA, así como el modelo de simulación para TRNSYS. El modelizado de la máquina de absorción CW10 se ha basado en las curvas experimentales de eficiencia de los procesos de carga y descarga de la máquina. Estas curvas aportan la potencia de calefacción o de refrigeración de la máquina en función de la temperatura del agua que retorna de la climatización del edificio. Asimismo, también aportan la potencia de carga de la máquina en función de la temperatura de retorno del campo solar. La base para realizar el modelizado de cada barril de la máquina de absorción es la misma que la de un tanque de almacenamiento. Para ello, se ha creado una variable interna que representa el nivel de energía acumulado en las sales. Durante el proceso de carga, el nivel de la variable de almacenamiento aumenta hasta llegar a su capacidad máxima. En el proceso de descarga

el nivel desciende hasta alcanzar su valor mínimo.

Cada unidad de absorción Climatewell CW10 puede operar en varias situaciones posibles, en función del estado de carga o descarga de sus dos barriles y si trabajan simultáneamente o alternativamente. Cuando el sistema está formado por varias unidades (como es el caso de los CDdI de ARFRISOL) las posibilidades se multiplican. Con el fin de optimizar el funcionamiento de todo el sistema, se ha creado un modelo formado por varias unidades CW10. Este modelo identifica el estatus (nivel de energía en carga o descarga) de cada barril y decide la secuencia de funcionamiento de todas las unidades, optimizando el valor de la fracción solar obtenido (ver figura de fracción solar). La simulación del sistema completo, acoplando las demandas horarias del edificio con la instalación solar, proporciona el porcentaje de ahorro obtenido por la parte solar activa.

Conocida la demanda energética del CDdI PSA y el funcionamiento de la instalación solar proyectada, es posible realizar la evaluación energética global, comparando los valores obtenidos en las simulaciones con los del documento E4. Los resultados obtenidos en las simulaciones de la zona de despachos arrojan un valor de un ahorro esperado de un 95,7 %.

Dicho ahorro energético está referido al consumo de energía de un edificio de oficinas tipo tal y como viene reflejado en el documento E4 (D4) para la zona climática correspondiente. Para calcular los porcentajes de ahorro se divide la demanda D4 en tres partes: la cubierta con energía solar pasiva (Ep), la cubierta con energía solar activa (Ea) y la restante (Er), para la que deben buscarse fuentes alternativas que habitualmente generan CO2.

Si denominamos a la demanda simulada del CDdI Dc y a su fracción solar f, cada una de las demandas anteriores se puede expresar como sigue: Ep = D4 - Dc Ea = f • Dc Er = (1 – f) Dc Para obtener un diagrama de sectores que represente cada una de estas cantidades bastará con normalizar las anteriores cantidades con respecto a D4. En el caso del CDdI PSA el clima de referencia del documento E4 es el de Sevilla, obteniendo el siguiente gráfico tanto para la zona de despachos como para el edificio global. ■ climanoticias/Noviembre 2009

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especial monográfico

artículo técnico artícu

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Noviembre Diciembre2009 2008 electronoticias/ climanoticias/

EFICIENCIA ENERGÉTICA POR IMPLANTACIÓN DE UN SISTEMA DE GESTIÓN CENTRALIZADO por Sergi Esteve Director de Marketing - Competence Center - SAUTE R Ibérica

A

ctualmente la eficiencia energética es una de las principales preocupaciones de todos los países, implicando tanto a administraciones como a empresas y ciudadanos. Coinciden múltiples factores económicos-político-sociales, como son: la escasez de recursos naturales, el incremento desaforado de la demanda mundial de los países desarrollados y emergentes (China, India, Brasil,…), el encarecimiento de los recursos fósiles (especialmente el petróleo), el compromiso global con el cambio climático (reducción del nivel de emisiones de CO2 como causante del efecto invernadero), etcétera.

Todo ello está motivando compromisos internacionales y nacionales que impulsan gran variedad de actuaciones multisectoriales.

En el sector de la edificación específicamente, destacan el desarrollo de la legislación aplicable (Código Técnico de la Edificación, nuevo RITE Reglamento de Instalaciones Técnicas de la Edificación, Certificación Energética de Edificios,…), ayudas o subvenciones públicas para remodelación de edificios existentes, inversión en desarrollo tecnológico, aplicación de fuentes renovables, etc.

Según los datos del IDAE (ver Plan de Acción 2008-2012, de julio 2007), el sector de la edificación terciaria, no residencial, representa el 7% del total del consumo energético nacional (7.3330 ktep en 2005), con una tasa de crecimiento del 5% anual.

Fig. 1: Distribución de consumo energético por sectores de edificación terciaria (IDAE Plan de Acción 2008-2012, v. julio 2007).

La distribución de consumos ponderados por usos en la edificación terciaria es como sigue:

Fig. 2: Distribución de consumo ponderado por usos de edificación terciaria (IDAE Plan de Acción 2008-2012, v. julio 2007).

Es significativo que “entre los tres consumidores más importantes se llevan el 87%

Ahorro y eficiencia energética

del consumo de energía del sector: refrigeración (30%), calefacción (29%) e iluminación (28%)”.

En la coyuntura actual, en el marco de una crisis global y generalizada, cobra especial relevancia el ajustar los costes operativos aplicando medidas de eficiencia energética, tanto para propiedades públicas como privadas.

Para tan exigente tarea, los gestores de los edificios precisan de herramientas apropiadas, como son los Sistemas de Gestión Técnica Centralizada (SGTC) o en inglés “Building Management Systems” (BMS). Hoy en día no es concebible un moderno edificio terciario sin SGTC. En el presente artículo se exponen las funcionalidades operativas que un SGTC aporta a la gestión segura del edificio y se presentan modernas soluciones específicas para la eficiencia energética, presentando parámetros en la reducción de consumos alcanzables procedentes de casos reales.

Los 10 principios de la Eficiencia Energética La eficiencia energética de un edificio no la aporta un producto o servicio concreto, sino que es la resultante de un conjunto de múltiples medidas y criterios incorporados a lo largo de toda la vida útil de este edificio, desde su concepción en fase arquitectura, en el desarrollo del proyecto constructivo (tanto de obra civil como de instalaciones electro-mecánicas) y, por supuesto, durante la fase de gestión, que incluye tanto el mantenimiento como la renovación de las instalaciones.

Por tanto, es un compromiso que debe implicar a todos los profesionales de las diferentes especialidades que participan en un edifico, desde su concepción hasta su demolición, tanto empresas de servicios como fabricantes de materiales y/o equipos

1. Centralizar y visualizar la información relevante de consumos energéticos con las tecnologías más avanzadas.

2. Comparar de forma analítica y crítica, los consumos energéticos con valores de referencia internos y externos.

3. Evaluar los comportamientos energéticos estáticos y dinámicos de forma personalizada para cada edificio y teniendo en cuenta todos los costes durante el ciclo de vida del edificio.

4. Aplicar las fuentes de energías renovables, considerando los factores ecológicos y económicos.

5. Minimizar drásticamente las emisiones de CO2 asegurando una protección sostenible del medio ambiente para el futuro.

6. Emplear equipos y materiales certificados oficialmente (eu.bac: “European Building Automation Controls Association”), de rendimientos garantizados, y aplicar soluciones innovadoras técnicamente.

7. Interconectar todas las instalaciones técnicas del edificio, mediante sistemas de automatización abiertos y flexibles.

8. Armonizar las tecnologías de la envolvente del edificio, la gestión técnica y la ingeniería de sistemas.

9. Implicar a los usuarios hacia un uso responsable de las instalaciones, incrementando la sensibilidad por el consumo de energía.

10. Asegurar la reducción de los costes de explotación.

El programa de eficiencia energética ECO10 está perfectamente alineado con las nuevas normativas que regulan el sector (RITE, CTE, CEE,…).

ECO10 es el programa que asegura el control energético sistemático de las instalaciones de los edificios mediante el siguiente proceso: • Recogida de información (centralización de consumos, comparación con valores estandarizados del sector e históricos propios,…).

• Análisis de los datos.

• Elaboración de conclusiones.

• Definición de un plan de acción que establece las medidas adecuadas para optimizar la gestión del edificio según sus necesidades en cada momento.

ECO10 de Sauter es el decálogo que describe los 10 principios de eficiencia energética:

Este es el proceso que engloba la Gestión Energética del edificio, que asegure la minimización de las emisiones y la reducción de costes operativos del total del edificio. climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico ¿Qué es un Sistema de Gestión Técnica Centralizada?

Según la publicación “Técnicas de la regulación y gestión de energía en edificios” de la Asociación Española de Fabricantes e Importadores de Aparatos y Sistemas para la Automatización de Edificios (AFISAE) de 1992: “Denominamos Gestión Técnica Centralizada de Edificios, a aquellos sistemas que nos permiten gestionar y supervisar las diferentes instalaciones existentes en un edificio de forma integrada para conseguir las condiciones de confort deseadas en cada momento de forma eficiente y precisa, y que en caso de problemas en las instalaciones, envíen las correspondientes alarmas (o avisos) para que el servicio de mantenimiento tome conciencia del problema y actúe adecuadamente”.

Por tanto, el SGTC incluye los equipos e instalaciones de Hardware y Software que configuran las instalaciones técnicas de un edificio: climatización, ACS, iluminación, transporte vertical / horizontal, detección de incendios, analizadores de redes, contadores de energía, etc.

Un sistema de gestión se estructura en tres niveles jerárquicos: Nivel de campo, Nivel de automatización y nivel de gestión (ver Fig. 3).

Nivel de Campo: Incluye todos los elementos de medición (sensores de temperatura, humedad relativa, presión, CO2,…) que comunican los valores reales al nivel inmediato superior, así como un conjunto de mecanismos (actuadores, servomotores,…) que recibirán las órdenes de este Nivel de Automatización y accionarán convenientemente los equipos (válvulas, compuertas, variadores de frecuencia,…) para la maniobra de la maquinaria electromecánica (calderas, enfriadoras, bombas de distribución, climatizadores, fancoils, etc.).

La conexión física de los elementos de campo con sus correspondientes controladores del Nivel de Automatización puede realizarse mediante cableado independiente, vía bus de comunicación o inalámbrica por radiofrecuencia.

Nivel de automatización: Alberga los controladores que procesan las señales recibidas de los equipos “pasivos” de campo y, mediante los algoritmos de control programados, generan las señales de salida que gobiernan los equipos de campo “activos” que actúan sobre los equipos de actuación de las instalaciones. Opcionalmen-

Informes Visualización Configuración

Algoritmos Alarmas Información

Sondas Actuadores Unidades operativas

Fig. 3: Estructura jerárquica SGTC

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climanoticias/Noviembre 2009

Ahorro y eficiencia energética

gestión. Estos protocolos pueden ser propios de los fabricantes de equipos o Standard de mercado (ModBus, M-Bus, LONworks, BACnet, KNXEYB, DALI, etc.).

te los controladores pueden registrar históricos de las diferentes variables controladas. Estos autómatas se comunican entre sí y con el nivel jerárquico superior - Nivel de Gestión - a través de un bus de comunicaciones.

Este bus de comunicaciones consta del medio físico por el que “viaja” la información (bus a dos hilos, red LAN - “Local Area Network” - Ethernet, radiofrecuencia,…) y del protocolo de comunicaciones, es decir, el “idioma” en el que se comunican los controladores entre sí y con el nivel de

Fig. 6: Pantalla de un climatizador

Nivel de gestión: En el puesto central se dispone el software SCADA (“Supervisory Control And Data Acquisition”) para la supervisión de control y adquisición de datos. Es decir, recoge y almacena los datos de los controladores, recibidos por el/los buses de comunicación, y representan la información en forma de listas o en forma gráfica en tiempo real.

Los programas SCADA son interface (HMI – “Human Machina Interface”) a través del cual el operador de la instalación visualiza los parámetros de la instalación, recibe los avisos o alarmas de las incidencias, y modifica los parámetros de regulación según las necesidades.

Los SGT se instalan en cualquier tipo de edificio y son imprescindibles en edificios terciarios (hospitales, aeropuertos, hoteles, centros comerciales, museos, laboratorios, centros de Procesado de Datos - CPDs, edificios de oficinas, edificios de investigación y educación, etc.). Hoy en día todo tipo de edificios de tamaño medio-grande incorporan un SGTC. Para edificios residenciales o sector doméstico existen equipos domóticos, escalados a sus necesidades, con los mismos principios de funcionamiento.

Fig. 8: Gráfico de históricos.

Fig. 7: Listado Alarmas

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artículo técnico Sistemas abiertos: Interoperabilidad e integración de subsistemas El SGTC de un edificio debe permitir la gestión coordinada de diversas instalaciones para conseguir una mayor eficiencia energética. Es lo que se denomina INTEGRACION de subsistemas: que desde el mismo SCADA que gobierna el sistema HVAC, también se pueda controlar otras instalaciones técnicas (iluminación, accesos, detección de incendios, etc.).

Todos aquellos equipos que comuniquen en un mismo protocolo, independientemente del fabricante, podrán intercambiar información entre ellos de forma directa, mientras que aquellos equipos que utilicen protocolos diferentes y / o propietarios deberán utilizar algún elemento intermedio (“gateway”) para poder intercambiar la información.

En la actualidad los principales protocolos Standard son: BACnet, LONWorks, TCP/IP, Modbus, Mbus, OPC, KONNEX, DALI, etc.

• KONNEX: KNX-EIB (Konnex – European Installation Bus) es un standard europeo que garantiza la compatibilidad de los sistemas electrónicos domóticos en edificios de los diferentes fabricantes.

• DALI: (Digital Addressable Lighting Interface) standard europeo para la comunicación de sistemas de control electrónico de iluminación, desarrollado por los principales fabricantes del sector.

Para llevar a cabo una integración directa es necesario utilizar sistemas abiertos de gestión. Se considera “abierto” aquel sistema que es capaz de comunicar con otro/s sistema/s de forma bidireccional, con o sin presencia de pasarelas externas, o gateways.

La integración puede darse a dos niveles: vía protocolos de comunicación o en el SCADA de gestión.

Sistema abierto vs. Protocolo de comunicación: (Fig. 12) La integración se realiza dentro de un • BACnet: Es el protocolo standard abierto no mismo subsistema del edificio (HVAC, iluminapropietario más aceptado en USA y de mayor ción,…), pudiendo intercomunicar elementos de proyección en Europa. Fue desarrollado por la diferentes fabricantes. asociación ASHRAE específicamente para el control y automatización de edificios.

• LONWorks: (Local Operating Networks), con el protocolo LONtalk standard propietario, bajo licencia de la empresa Echelon Corp., fue especialmente desarrollado para el control del Nivel de Campo (sondas, actuadotes y microcontroladores en red).

• TCP/IP: (Transmisión Control Protocol / Internet Protocol) Protocolo standard de comunicación entre ordenadores vía Fig. 12: Sistema abierto vs. Protocolo de comunicación Internet.

• Modbus: Protocolo de origen industrial desaSistema abierto vs. Software de Gestión: El softrrollado por la empresa Modicon para su gama ware de gestión abierto nos permitirá la integrade PLCs (controladores lógicos programables) y ción de múltiples subsistemas pudiendo cada uno convertido en un protocolo de comunicaciones de éstos disponer de un protocolo de comunicastandard especialmente utilizado para la inteción en Bus diferente del resto, pues la integragración de equipos individuales (variadores de ción se realiza en cabecera o Nivel de Gestión. frecuencia, analizadores de redes, etc.).

• Mbus: Protocolo Standard (Meter-bus) especialmente diseñado para la lectura de elementos de medición, tales como contadores de energía.

• OPC: (OLE for Process Control) Standard de comunicación de bases de datos que permite la intercomunicación e integración de sistemas en el Fig. 12: Sistema abierto vs. Protocolo de comunicación Nivel de Gestión.

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climanoticias/Noviembre 2009

Ahorro y eficiencia energética

La Gestión Técnica Centralizada y la Eficiencia Energética Un óptimo uso de los SGTC disponibles en los edificios permite, en muchos casos sin inversiones suplementarias, llevar a cabo una eficiente gestión energética de las instalaciones. Para ello, es preciso que el equipo gestor o conductor de las instalaciones sea profesional formado en las especialidades técnicas de su responsabilidad (control y regulación, programación, comunicaciones, electricidad, climatización e hidráulica).

Es relevante diferenciar las funciones de gestor o conductor del sistema de las funciones de gestor de mantenimiento, pues son actividades, especialidades y responsabilidades complementarias pero diferentes, con importantes ventajas en el caso de que sean realizadas por diferentes empresas.

Diversos estudios estiman que el ahorro energético mínimo que se puede conseguir con un sistema de Gestión Técnica Centralizada está entorno al 15-20 %. ¿Qué medidas se pueden implementar desde el SGTC para mejorar la eficiencia energética manteniendo el confort de los usuarios y el correcto funcionamiento de las instalaciones?

En promedio los sistemas de climatización (HVAC) e iluminación representan aproximadamente el 60% del consumo de un edificio, por tanto, estos son los que influirán en mayor medida en la optimización energética global.

Medidas de optimización sobre el sistema de climatización: • Ajuste de temperaturas de consigna. Diversos estudios (e.g. “Guía práctica de la energía” IDAE. 2004) confirman que: El subir 10C la temperatura de consigna de calefacción representa 5% - 7% de incremento de consumo energético.

El reducir 10C la temperatura de consigna de refrigeración representa 8% - 10% de incremento de consumo energético.

• Cambio automático de temperatura de consigna, de forma que en todo momento se esté climatizando según las necesidades reales.

• Control de apertura de ventanas, interactuando sobre la climatización con cambio automático a “temperatura consigna reducida” o incluso desconexión del clima por detección de ventana abierta en la zona.

• Programación horaria de las máquinas de producción y distribución (climatizadores, enfriadoras, bombas, etc.) por control zonificado, estacional, ocupacional, de presencia, calendario y horario.

• Control de máquinas en centrales de producción y distribución (climatizadores, enfriadoras, bombas, etc.) según las necesidades reales de carga de los edificios.

• Integración del control de los sistemas de generación de energías renovables (placas solares térmicas, geotermia,…), cogeneración y energías de distrito (“district heating”) dentro del sistema de gestión.

• Gestionar el mando alternativo de máquinas enfriadoras y bombas de calor supone un 2% de ahorro energético.

• El control digital de entalpía y humedad en el aire para un freecooling supone un 2% de ahorro energético.

Medidas de optimización sobre el sistema de iluminación: • Control de persianas o lamas parasoles según la intensidad lumínica exterior, por control zonal, presencial, calendario y horario.

• Control del sistema de iluminación de pasillos, zonal por escenas, por detección de presencia, etc.

• Control de iluminación de fachadas y rótulos luminosos por intensidad lumínica real exterior.

• Instalación de luminarias de bajo consumo y mantenimiento eficiente.

Con la adopción de estas medidas de optimización en sistemas de climatización e iluminación y un SGTC se pueden alcanzar importantes ahorros energéticos potenciales: Potencial de ahorro por implementación de GTCE Climatización (ACS + Calefacción + Refrigeración)

15-20 %

Iluminación

10-20%

Fig. 18: Ahorro estimado por implementación de CTGE

climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico

Fig. 21: Evolución del valor de las instalaciones en función del mantenimiento.

Fig. 19: % Objetivos de reducción de consumos s/ LONMARK

La organización LONMARK establece unos rangos generales de potencial de ahorro energético según acciones concretas aplicadas a los sistemas de iluminación y climatización:

La gestión de mantenimiento y la eficiencia energética Un correcto mantenimiento es fundamental para conseguir el máximo rendimiento operativo y energético de los equipos e instalaciones electromecánicas, incluidos los elementos de hardware y software del SGTC, por lo que conviene llevar a la práctica el Plan de Mantenimiento de forma permanente durante toda la vida útil del edificio.

Los equipos, con su uso, sufren deterioros, fallos, desgastes, bloqueos, pérdida de calibración, fugas o pérdidas, funcionamiento fuera de sus condiciones de diseño,… Todas estas casuísticas repercuten en el consumo energético agregado de los edificios.

Por tanto, aunque redundante, resulta clarificador insistir en que sin un mantenimiento eficaz del SCTC y de todas las instalaciones electromecánicas, el rendimiento energético de los edificios irá disminuyendo, aparecerán problemas operativos, interrupciones de servicio, quejas de los usuarios, sobrecostes y deterioro de la imagen del edificio.

En la Fig. 21 se representa la evolución del valor de las instalaciones de un edificio a lo largo de los 68

climanoticias/Noviembre 2009

años en el caso de que no se realice mantenimiento, se realice un mantenimiento eficaz o juntamente con éste se lleven a cabo actualizaciones periódicas requeridas por el deterioro de equipos y amortización de activos.

Genéricamente se diferencian tres tipos de mantenimiento: mantenimiento correctivo, preventivo y predictivo.

• Mantenimiento correctivo: Intervenciones no sistemáticas originadas por la detección de anomalías, reparación o substitución de elementos desgastados o averiados, que comporten interrupciones de servicio, funcionamiento fuera de los parámetros deseados o en condiciones que puedan generar perjuicios de las instalaciones y usuarios.

• Mantenimiento preventivo: Inspecciones sistemáticas de equipos e instalaciones para la verificación de su correcto funcionamiento, que evitan la aparición de averías e interrupciones de servicio, mantienen su rendimiento operativo y alargan la vida útil.

• Mantenimiento predictivo: Previsión o detección de fallos anticipadamente a su aparición, permitiendo corregir disfunciones sin prejuicios del servicio. Se utilizan instrumentos de diagnóstico y pruebas no destructivas (p.ej. análisis de lubricantes, termografías de equipos eléctricos, etc.).

Un SGTC permite dar información relevante al gestor de mantenimiento, tanto para acciones correctivas (incidencias de paros, fallos, etc.), como de planificación de mantenimiento preventivo (p.ej. filtros sucios, temperaturas de consigna incorrectas,…), e inclusive aporta datos para un mantenimiento predictivo (p.ej. tiempos de funcionamiento de equipos como bombas o ventiladores,…).

Ahorro y eficiencia energética

Adicionalmente un SGTC permite comunicarse con un software específico de gestión de mantenimiento o GMAO, compartiendo las bases de datos.

El mantenimiento correctivo de un SGTC implica generalmente un paro prolongado de las instalaciones, con los consiguientes perjuicios que dicha interrupción de servicio puede conllevar.

Por tanto es especialmente aconsejable llevar a cabo un correcto y continuado mantenimiento preventivo.

Para el desarrollo de un correcto mantenimiento correctivo de un edificio, es muy recomendable disponer de un stock de seguridad “in situ” de los elementos considerados necesarios, habituales y críticos de los equipos electromecánicos, así como un servicio con garantía de cobertura permanente (365 días/año - 24 horas/día). Todo mantenimiento correctivo debe llevarse a cabo de forma rápida y precisa, puesto que en muchos casos están relacionadas con un paro de las instalaciones. El SGTC permite informar al gestor de mantenimiento, de forma rápida y concisa, sobre las incidencias ocurridas.

Actualmente es posible realizar acciones de mantenimiento preventivo y predictivo desde el Nivel de Automatización y Nivel de Gestión de un SGTC de forma remota vía Web, es decir, por telegestión.

Inclusive en el caso de que los equipos e instalaciones estuvieran correctamente diseñados y construidos desde el proyecto original, gestionados u operados por profesionales capacitados e inclusive con una gestión de mantenimiento eficaz, sufren desgastes y deterioros, obsolescencia tecnológica, desfase frente a los requerimientos operativos, cambios de usos, etc. Por tanto es preciso acometer actualizaciones periódicas que garanticen su óptimo y eficiente comportamiento. Los cambios tecnológicos son especialmente dinámicos para el hardware y software, intensivo y crítico en este tipo de edificios.

Potencial de ahorro por mantenimiento adecuado Climatización (ACS + Calefacción + Refrigeración)

10-20%

Iluminación

10-20%

ciones de optimización de sistemas integrados e interrelacionados, es recomendable confiar la conducción de las instalaciones a personal técnico especialista, específicamente formado y con experiencia en las áreas de su responsabilidad (control y regulación, programación, comunicaciones, electricidad, climatización e hidráulica).

Es aconsejable segregar y contratar a empresas independientes los servicios de gestión / conducción de los servicios de mantenimiento general.

De esta forma la propiedad, pública o privada, dispone de información veraz sobre el estado y comportamiento del edificio, a la vez que se consiguen mayores resultados cualitativos y cuantitativos con menores ineficiencias, designadas las responsabilidades claramente definidas.

Con la implementación de un SGTC, con climatización e iluminación integrados, mas un mantenimiento eficaz, podemos estimar unas tasas de ahorro potencial recogidas en la Fig. 23.

Potencial de ahorro

Implementación SGTC

Mantenimiento Eficaz

Total ahorro potencial

Climatización (ACS + Calefacción + Refrigeración)

15-20 %

10-20%

25-40%

Iluminación

10-20%

10-20%

20-40%

Fig. 23: Estimación Potencial Ahorros Energéticos en Climatización e Iluminación.

Por todo lo expuesto, es obvio que sin un mantenimiento eficaz es inviable conseguir una gestión energética eficiente.

La Gestión Energética en los edificios El gasto energético de un edificio viene determinado por muchos factores: tipo y eficiencia de los sistemas instalados, combustibles suministrados, eficacia del mantenimiento, las condiciones térmicas del edificio, el tipo de actividades que se desarrollan él, su grado de ocupación y funcionamiento, la dimensión, ubicación geográfica, climatología y respuestas constructivas, condicionantes personales (hábitos de los usuarios), envejecimiento o edad del edificio y sus instalaciones, etc.

Fig. 22: Ahorro energético por un mantenimiento eficaz.

En la Figura 22 se evalúan las tasas de ahorro en consumos eléctricos para climatización e iluminación como consecuencia de un mantenimiento eficaz de las instalaciones.

Dado el sofisticado nivel tecnológico de las instalaciones de control de los SGTC, y las actua-

Fig. 24: Proceso de Gestión Energética.

climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico La normativa vigente relativa a la certificación energética categoriza los edificios en virtud de su rendimiento energético (kWh/año, kWh/m2, kgCO2/año, kgCO2/ m2).

Para una metódica aproximación a la Gestión Energética se recomienda seguir los siguientes pasos iterativos: • MEDIR y registrar los consumos energéticos por zonas mediante los instrumentos adecuados.

• INTERPRETAR los datos obtenidos con el Know-How experto y profesional del Gestor Energético.

• CAMBIAR o modificar las condiciones del sistema de acuerdo con el Plan Energético específico de cada edificio.

• CONTROLAR los resultados obtenidos, compararlos con otros edificios similares y con valores de referencia (“benchmarking”) para extraer conclusiones.

• Y, posteriormente… volver a MEDIR - INTERPRETAR - CAMBIAR - CONTROLAR - …. de forma iterativa.

El seguimiento de la eficiencia energética de un edificio no es un trabajo puntual, sino que debe realizarse de forma regular y continuada.

Actualmente existen módulos de software específicos para la gestión energética, integrables en los SGTC con bases de datos compartidas, im-

Fig. 25: Pantallas EMS (SAUTER 2008).

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climanoticias/Noviembre 2009

prescindibles para la gestión energética de los edificios.

EMS facilita informes temporales (diarios - semanales - mensuales - anuales) de los diferentes consumos y equivalencia económica, por centros o zonas; presenta históricos de consumos del mismo edificio; extrae ratios (kwh/m2,…); compara ratios con otros edificios similares o versus valores de referencia y aporta datos normalizados con respecto a las condiciones ambientales.

EMS facilita la representación gráfica y en tiempo real del comportamiento energético del edificio respecto a un valor de referencia (de diseño, promedio del sector, objetivo marcado por dirección, etc.). Es por tanto una auditoria energética de los edificios permanente y en tiempo real.

EMS facilita los históricos de consumos de los edificios y comparativas con otros centros similares (“benchmarking”) que permiten evaluar su funcionamiento energético y establecer objetivos de mejora más ambiciosos.

Esta herramienta aporta la información de consumos de forma útil y adaptada para aquellos centros que imputan costes o facturaciones de suministro de servicios por centros de beneficio o departamentos a empresas o profesionales “externos”.

Para la conducción y gestión energética de edificios es recomendable la labor de un equipo experto, sin embargo éste no es el único implicado. La dirección debe conocer que el pretender la eficiencia energética requiere de la colaboración de los usuarios, por lo que es recomendable editar guías o carteles con informaciones claras y concisas. ■

especial monográfico

artículo técnico artícu

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TECNOLOGÍAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN A.C.S por Aurelio Lanchas Jefe de Producto Cointra

González

TENDENCIAS Y REQUERIMIENTOS NORMATIVOS En lo que respecta al ahorro energético en la producción de A.C.S, básicamente podríamos pensar en 2 conceptos claves: ◗ caudal de agua a calentar, ◗ aprovechamiento del combustible consumido en calentar ese caudal, Por lo tanto, y como fabricantes de aparatos de producción de agua caliente sanitaria, nos centraremos en cómo intervenir para tener un mejor aprovechamiento del combustible consumido.

Como estamos pudiendo comprobar, en el sector de la calefacción - agua caliente sanitaria, en toda la nueva normativa aprobada hay una parte fundamental dedicada a la eficiencia energética: disminución de partículas contaminantes (básicamente CO2 y NOx) a la atmosfera y ahorro de combustible.

Entre estas normativas comentadas, como ejemplo: ◗ el Código Técnico de la Edificación con la obligatoriedad de energía solar y la parte de eficiencia energética, ◗ el R.I.T.E, incidiendo en la obligatoriedad de calderas mas eficientes en cuanto a su rendimiento (en su apartado IT

1.2.4.1.2.1 punto 7, apartado c), indica: Queda prohibida la instalación de calderas de las características siguientes, a partir de las fechas que se indican: a) calderas individuales a gas de menos de 70 kW de tipo atmosférico a partir del 1 Enero 2010, b) calderas con un marcado de prestación energética según Real Decreto 275/1995, de una estrella a partir del 1 enero 2010, c) calderas con un marcado de prestación energética según Real Decreto 275/1995, de dos estrellas a partir del 1 enero 2012, Actualmente, los requisitos de rendimiento de calderas alimentadas por combustibles líquidos y gaseosos están establecidos por el Real Decreto 275/1995 (el mencionado en este apartado del R.I.T.E), que establece las disposiciones de aplicación de la Directiva 92/42 CEE. Dentro de este mismo Real Decreto, y con objeto de clasificar el rendimiento de cada una de las calderas, se establece un sistema de medida por número de estrellas, para de esta forma poder identificar de forma rápida y clara el mejor o pero rendimiento de cada caldera, tal y como aparece en la Tabla 2:

Ahorro y eficiencia energética

preparación y por lo tanto tendrá un mayor consumo, para posteriormente mezclar en el punto de consumo: mayor consumo de combustible y mayor consumo de agua.

Calderas murales clase 5 condensación y no condensación.

Detalle Display: calderas clase 5 y Microtop Solar.

En función del tipo de producto de producción de A.C.S, tendremos que tener presente unos requisitos u otros a la hora de buscar la mejor tecnología de producción de A.C.S.

CALENTADORES Y CALDERAS INSTANtTÁNEAS O DE ACUMULACIÓN

Calentador a gas Microtop Termostático solar.

En este tipo de productos, lo más importante a la hora de buscar tanto ahorros energéticos, como aumentos de confort en la producción de A.C.S, es:

◗ Tener aparatos modulantes en gas, es decir, que adapten de forma precisa la cantidad de combustible consumido a la temperatura seleccionada de preparación por parte del usuario.

Este punto es vital para poder conseguir tanto un ahorro significativo de consumos, como para tener un buen confort de A.C.S (una buena estabilidad de temperatura, que haga que no tengamos picos de temperatura).

En la siguiente gráfica podremos observar el comportamiento de un calentador a gas Cointra Microtop Solar 15 litros frente a modelos tradicionales no modulantes:

◗ Tener la posibilidad de elegir la potencia del aparato (o los litros/minuto suministrados por el mismo) en función de la demanda real del usuario: una potencia desmesurada siempre penalizara el consumo final. ◗ Tener la posibilidad de seleccionar la temperatura de consigna de forma precisa, es decir, mediante selector y display digital, para que de esta forma y en la medida de lo posible, el usuario sepa exactamente que temperatura selecciona. Si esto no se cumple, se incurre en el riesgo de que el cliente seleccione una temperatura superior de selección a la deseada, con lo que el aparato deberá elevar mas la temperatura de climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico ◗ Si además hablamos de calderas con acumulador incorporado, debemos tener en cuenta también: a) intentar que el aparato no se encuentre en intemperie, ya que las pérdidas de temperatura del acumulador crecerán de forma significativa, y con ellas el consumo. b) adaptar el volumen del acumulador a la demanda real de la vivienda: mayores acumulaciones, repercutirán negativamente en el consumo obtenido, c) confirmar que el acumulador se encuentra aislado, y con un espesor suficiente, si esto no sucede, tendríamos el mismo problema que la instalación en intemperie: aumentan las perdidas de temperatura y por lo tanto el consumo.

◗ Para generar esta red de retorno tenemos que disponer de una bomba de circulación que lleve el agua desde el ultimo punto de consumo hasta el deposito. Esta bomba será activada por ejemplo por la sonda de temperatura comentada en el punto anterior. ◗ También puede ser muy interesante, que la bomba para la instalación de retorno sea controlada por un programador horario, y de esta forma mantener activada la bomba de circulación en las horas donde exista la demanda de consumo. Nos evitaremos consumos eléctricos de la bomba innecesarios, ruidos de circulación de agua nocturnos, consumos de combustible por circulación, etc.

Es importante señalar lo que dice el C.T.E en la parte HS 4: Suministro de agua, en materia de ahorro de agua:

2.3 Ahorro de agua 1 Debe disponerse un sistema de contabilización tanto de agua fría como de agua caliente para cada unidad de consumo individualizable.

2 En las redes de ACS debe disponerse una red de retorno cuando la longitud de la tubería de ida al punto de consumo más alejado sea igual o mayor que 15 m.

3 En las zonas de pública concurrencia de los edificios, los grifos de los lavabos y las cisternas deben estar dotados de dispositivos de ahorro de agua.

Como vemos, en el punto 2, nos habla que para tener ahorro de agua, en instalaciones donde la red de ACS sea de más de 15 metros entre el punto de consumo y el generador de agua caliente, deberemos tener una red de retorno. Esto nos obliga a tener un depósito acumulador, ya que un aparato de producción de agua caliente sanitaria instantáneo incurriría en consumos de gas no justificables.

A la hora de realizar esta red de retorno se debe tener en cuenta: ◗ Se debe controlar la temperatura de recirculación: lo normal es que la temperatura del deposito se encuentre a una temperatura alrededor de los 600C, pero no es necesario que toda la red de recirculación este a esta temperatura. El control se puede realizar mediante una simple sonda de temperatura en la tubería de retorno al depósito.

74

climanoticias/Noviembre 2009

Caldera mural a gas con ACS por acumulación Perfect 30/60 E.

TERMOS ELÉCTRICOS

Termos Aral TNC.

Ahorro y eficiencia energética

Hemos querido separar los termos eléctricos (producción de A.C.S mediante acumulador calentado por resistencia eléctrica) del resto de producto por la importancia que sigue teniendo este producto en nuestro país por volumen de ventas, y que en muchas ocasiones no le prestamos la atención que requiere cuando se habla de búsqueda de ahorros energéticos y confort en A.C.S. Muchas de las necesidades básicas para que este tipo de producto sea realmente eficiente en la producción de A.C.S ya han ido mencionadas anteriormente, ya que en el fondo es una producción de A.C.S mediante un depósito acumulador, y por lo tanto similar a una caldera con acumulación: a) Intentar que el aparato no se encuentre en intemperie, ya que las pérdidas de temperatura del acumulador crecerán de forma significativa, y con ellas el consumo. b) Adaptar el volumen del acumulador a la demanda real de la vivienda: mayores acumulaciones, repercutirán negativamente en el consumo obtenido. c) Confirmar que el acumulador se encuentra aislado, y con un espesor suficiente, si esto no sucede, tendríamos el mismo problema que la instalación en intemperie: aumentan las perdidas de temperatura y por lo tanto el consumo. d) Especial cuidado como ya hemos visto en la realización de la recirculación, si es que existe, en el circuito de A.C.S,

e) Tener la posibilidad de seleccionar la temperatura de consigna de forma precisa, motivo por el que tanto la gama TND, como la gama TDG incorporan display de temperaturas, donde podemos seleccionar la temperatura de preparación de A.C.S que decidamos, así como la temperatura de preparación a la que se encuentra realmente.

Un detalle importantísimo a la hora de valorar la eficiencia en la producción de A.C.S de un termo eléctrico, es el aprovechamiento de la potencia eléctrica consumida por la resistencia incorporada.

Lo habitual es tener una sola resistencia de una potencia determinada, que se activa o no en función de la temperatura de consigna que hayamos elegido.

Esto implica que tenemos que optar por una resistencia de una potencia como solución de compromiso entre tener una potencia de resistencia baja para no penalizar el consumo eléctrico, pero suficientemente elevada para poder tener un tiempo bajo de recuperación de la temperatura del termo.

CONCLUSIONES Como hemos podido comprobar, es muy importante prestar una atención especial a cada tipo de aparato que elijamos a la hora de producir agua caliente sanitaria, ya que en función de sus características los posibles ahorros de consumo y/o condiciones de confort obtenidas pueden ser muy significativos. ■

Detalle Display termos Digital TDG.

climanoticias/Noviembre 2009

75

especial monográfico

artículo técnico artícu

E

BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS ACOPLADAS CON EL TERRENO por Raúl Tubío, Product Manager Agua

Miguel Zamora, Responsable I+D+i Ciatesa

Introducción El interés de la sociedad y las autoridades por la reducción del consumo eléctrico y las emisiones de CO2 al ambiente es cada vez mayor. Existen un tipo de bomba de calor que por sus condiciones, mejora sensiblemente este consumo: son las bombas de calor geotérmicas. Esto tipos de bombas son equipos denominados agua-agua debido a que el fluido calo-portador que circula en el interior y al exterior de la instalación es el agua, el cual, realiza un intercambio exterior con una fuente de calor situada en el terreno (suelo, aguas subterráneas, aguas de pozo...).

Si el intercambio térmico se realiza con el terreno, se produce de forma indirecta a través de los intercambiadores, que se construyen con tuberías de polietileno que se entierran a diferentes profundidades y formando circuitos.

Es muy importante las condiciones en las que se realiza el intercambio, esto debe de ser analizado cuando se dimensiona la instalación, de tal manera que se optimicen la transferencia térmica junto con el coste asociado a la instalación. Existe cada vez más conciencia de este tipo de energía como renovable, con numerosas medidas que a nivel nacional y europea se están tomando en este sentido.

Diseño y tecnología de las bombas de calor geotérmicas Existen dos tipologías de tecnología para las bombas de calor agua-agua que se utilizan para la geotermia, los equipos no reversibles y los reversibles, siendo ésta última la tecnología mayoritaria del mercado.

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Noviembre Diciembre2009 2008 electronoticias/ climanoticias/

EQUIPOS NO REVERSIBLES En esta tipología no se produce la inversión del ciclo frigorífico de tal manera que el refrigerante discurre siempre en el mismo sentido y los intercambiadores actúan como condensador y evaporador respectivamente en toda circunstancia. En ellos, el cambio de funcionamiento se realiza en el lado del agua. Para ello existe un circuito hidráulico por el que, dependiendo si las necesidades son de calefacción o refrigeración, el conjunto de las válvulas hace que el agua fría y caliente transite por una u otra dirección. En el diagrama de funcionamiento puede observarse cuál es el modo de operación en calefacción.

EQUIPOS REVERSIBLES En esta tipología la inversión se produce en el ciclo frigorífico mediante una válvula de cuatro vías que direcciona el flujo de refrigerante hacia el intercambiador del agua enviada al exterior o al interior en función si las necesidades son de calefacción o refrigeración. De esta forma, en calefacción, el intercambiador interior actúa como condensador y calienta el agua que circula a la instalación, en el caso contrario, actuará como evaporador y el agua será enfriada.

En el caso de calefacción, el intercambiador exterior actúa como evaporador y el agua que sale de él se manda al terreno para que, tras el intercambio, aumente su temperatura y de nuevo retorne al evaporador. En caso de refrigeración el modo de operación será el contrario. En la Figu-

Ahorro y eficiencia energética

ra 1 se muestra un esquema de principio de una bomba de calor geotérmica, con sus distintas unidades terminales posibles (fancoil, suelo radiante...); y con las dos tipologías de intercambio con el terreno mayoritarias, como son el intercambio vertical y el horizontal. En la figura 2 se muestra el aspecto de una máquina de este tipo.

COMPONENTES Los componentes principales de la bomba de calor son:

- COMPRESOR: la tecnología que se utiliza para estas máquinas es del tipo hermético scroll, que aporta ventajas tales como mayor eficiencia, menor volumen, menor vibración y nivel sonoro, bajo peso y compacidad. Los refrigerantes utilizados actualmente son los HFC (R410a, R407c) que no perjudican la capa de ozono. En el futuro existe la posibilidad de los llamados refrigerantes naturales, como el propano o el amoníaco sin potencial de efecto invernadero. El rendimiento (“COP”) de estos compresores se sitúa entre 4 y 5 para el caso de bombas geotérmicas de unos 17 kW. (Fuente: Ciatesa).

- CONDENSADOR Y EVAPORADOR: la tecnología utilizada para estos componentes es la del tipo intercambiador de placas de acero inoxidable soldadas, dotado de gran compacidad y resistencia. Sin embargo es necesario, debido a su sensibilidad al ensuciamiento, que se coloquen filtros de malla en sus entradas. En ellos el intercambio se produce con alta eficiencia.

Figura 1. Esquema de principio de bomba de calor reversible geotérmica. (Fuente Ciatesa).

Figura 2. Bomba de calor agua-agua geotérmica ÁUREA2 de Ciatesa.

Otro aspecto de vital importancia es el sentido de intercambio en ambos, puede ser equi-corriente (mismo sentido) o contra-corriente (sentido contrario), en función de que estos sentidos se establezcan de una forma u otra en condensador y evaporador, se producirá una mayor o menor potencia de intercambio. La solución de compromiso es: el condensador en contra-corriente y el evaporador en equi-corriente. Si bien, en el caso que sea la calefacción lo que prevalezca los dos estarán en contra-corriente.

- GRUPO HIDRÁULICO INCORPORADO: en modelos de pequeña potencia, además de la bomba de circulación, se suele incorporar el grupo hidráulico completo para la instalación interior, el cual incluye: vaso de expansión, termo-manómetros, purgadores de aire, válvulas de seguridad, etc.

OTRAS FUNCIONALIDADES: PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA (ACS) Las bombas de calor geotérmicas aportan una funcionalidad añadida que es la producción climanoticias/Noviembre 2009

77

artículo técnico de agua para satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria (ACS). Esto se puede hacer de dos formas diferentes, internamente, colocando un intercambiador de gases calientes a la salida del compresor lo que permite producir constantemente, en modo calefacción o refrigeración, agua caliente. O externamente, mediante una válvula de tres vías que, cuando sea necesario enviará agua al depósito de ACS, aquí la bomba de calor debe estar trabajando en modo de calefacción. Debido a las buenas condiciones del terreno esta producción se realiza con una eficiencia notable.

Se presentan ambos esquemas de funcionamiento:

Figura 3. Esquema de bomba de calor con producción de ACS mediante intercambiador de gases calientes.

cleo. Esto supone que en las distintas capas de la tierra se acumula una energía que puede ser usada como sumidero o fuente de energía.

En función de la temperatura a la que se encuentre esta energía, denominada geotérmica, se divide en alta temperatura ( >150 0C), media (350C - 1500C) y baja temperatura (<350C).

Esta energía que se acumula en la tierra procede del sol, por tanto, es dependiente del intercambio térmico que se produzca en su superficie en primera instancia, éste se verá afectado por las condiciones meteorológicas del lugar (irradiación, temperatura, etc.), de las propiedades transmisivas y absortivas del terreno, y de otros factores, como la velocidad del viento, que afecta al intercambio convectivo. La transmisión de la energía de la superficie hacia el interior del terreno es función de las propiedades de los materiales que lo componen, de otros intercambios energéticos, si se producen, y de las condiciones iniciales del mismo.

Al aumentar la distancia a la superficie del terreno, las alteraciones de la temperatura en función de las condiciones climáticas exteriores van siendo menores, así, a partir de una determinada profundidad, la temperatura del terreno permanece constante como se puede observar en la figura 5. Esto es debido a la elevada inercia térmica que presenta el terreno, de tal forma que, conforme se avanza en profundidad menos energía se transmite y más es necesaria para producir variación.

Figura 5. Evolución diaria a lo largo de un año de la temperatura media en función de la profundidad.

Figura 4. Esquema de bomba de calor con producción de ACS mediante válvula de tres vías.

FUNDAMENTOS Y TIPOLOGÍA DEL INTERCAMBIO CON EL TERRENO La tierra experimenta un ascenso de su temperatura conforme aumenta la distancia a la superficie y se produce acercamiento al nú78

climanoticias/Noviembre 2009

La energía que se utiliza para el intercambio con la bomba de calor se denomina energía geotérmica de baja temperatura. A la profundidad que se utiliza ésta para la bomba de calor la temperatura se encuentra muy cercana a la de confort, por ello, se consigue una eficien-

Ahorro y eficiencia energética

cia alta debido a que trabaja con menores saltos térmicos que las convencionales.

Para dimensionar un intercambiador enterrado es necesario tener en cuenta las condiciones del terreno, y la propiedad fundamental que lo determina es la conductividad del mismo, ésta viene afectada por la textura, la humedad y la densidad del material que lo compone.

Existen formulaciones matemáticas que predicen el comportamiento del terreno y su interacción con intercambiadores tubulares enterrados. A partir de ellas se pueden dimensionar que longitud, diámetro, separación y número de tubos son necesarios, según tipología, para disipar la energía procedente de una bomba de calor. Este dimensionado dependerá del uso que se dé a la instalación y de la potencia térmica a disipar en cada momento; del fluido que se utilice para el intercambio; de la resistencia térmica del terreno, que viene determinada por las características del material que lo compone como antes se ha indicado, y de las condiciones climáticas del lugar. Todas éstas se incluyen para que se puedan realizar simulaciones con las que se analicen su comportamiento.

Es muy importante el análisis y simulación de la transferencia de calor entre estos dispositivos y el terreno. Dicho intercambio no es comparable con otros, debido a las características del medio. El dimensionado del intercambiador es vital para que el intercambio con el terreno se pueda realizar de manera correcta, en función de las condiciones climáticas y de cargas necesarias a lo largo del año. El terreno tiene gran inercia térmica, como hemos indicado anteriormente, pero no es un sumidero con el que se pueda realizar un intercambio de calor infinito, es decir, un mal diseño puede provocar la saturación del suelo. Otra consecuencia de un mal diseño, es que el intercambiador no sea capaz de intercambiar transferir la potencia máxima necesaria. Todo ello incide en la importancia de disponer de los conocimientos y medios adecuados para poder realizar diseños correctos.

Si se observa, para una temporada de calor, la temperatura del terreno sometido a un intercambio, ésta va teniendo ciclos diarios en los que se va alcanzando una temperatura mayor. Para una temporada de frío ocurre al contrario. Es mejor que una

temporada contrarreste la otra, así el diseño para una bomba que sólo va a trabajar en calor o frío debe de contemplar esto cuidadosamente.

Existen softwares, como el GeoCiatesa desarrollado por Ciatesa junto a la Universidad Politécnica de Valencia (Corberan & Urchueguía, 2003), que proceden de un estudio científico basado en la experiencia y en el análisis de simulaciones, que integran todo ello y son capaces de dimensionar el intercambiador enterrado necesario según todo lo comentado.

Figura 6. Pantallas del software GeoCiatesa( Fuente: Ciatesa).

DIMENSIONADO Y ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD A TRAVÉS DEL PROGRAMA GEOCIATESA El dimensionado de intercambiador queda patente que es de suma importancia, a continuación se van a mostrar la diferencia de rendimiento que se obtiene de las bombas de calor mediante la variación de los parámetros que intervienen en la transferencia térmica.

Todos los cálculos se han realizado con el programa Geo Ciatesa.

El programa se estructura en cuatro pantallas de entrada de datos y una de resultados. En la primera pantalla se configura la geometría del intercambiador. En la segunda se introduce el material de las tuberías. En la tercera se define el perfil de cargas a partir de la localidad, tipo de edificio y cargas máximas de calefacción y refrigeración. En esta pantalla también se elige el tipo de terreno. Finalmente, hay una cuarta pantalla para introducir los accesorios de tuberías con objeto de ofrecer una estimación de la pérdida de carga. En la pantalla de resultados el programa muestra el cálculo de las longitudes de intercambiador necesarias tanto en modo calefacción como en modo refrigeración en función del punto climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico de trabajo del equipo con el que se desee operar (COP y potencia).

INFLUENCIA DE LA DISTANCIA ENTRE BOREHOLES (POZOS) CASO: Localidad: Madrid; Uso del edificio: Oficinas; Carga Calorífica Máxima: 30 Kw.; Carga Frigorífica Máxima: 25 kW.; Equipo: Áurea IZE120 de Ciatesa; Tipo de terreno: Basalto; Tubo borehole: 1 1/4” PN50A 16 bar; Tubo colector: 1 1/2” PN32 6 bar longitud 20 m; Longitud total: 800 metros. 4 pozos de 100 metros.

Configuración 2x2.

SENSIBILIDAD ANTE LA LONGITUD En este caso, para un diseño de intercambiador dado, se analizará la influencia de la longitud, plasmada en una mayor o menor profundidad de los pozos.

CASO: Localidad: Málaga; Uso del edificio: Oficinas; Carga Calorífica Máxima: 20 Kw.; Carga Frigorífica Máxima: 25 kW.; Equipo: Áurea IZE-120 de Ciatesa; Tipo de terreno: Calizas en forma de margas; Tubo borehole: 1 1/4” PN50A 16 bar; Tubo colector: 1 1/4” PN32 6 bar longitud 20 m.; 4 pozos separados 1 metro en configuración 4x1.

RESULTADOS: RESULTADOS:

Figura 7. Influencia en el rendimiento de calefacción de la distancia entre pozos.

Figura 8. Influencia en el rendimiento de refrigeración de la distancia entre pozos.

Como se puede apreciar en la figura 7, la influencia en este caso sobre el COP de calefacción es muy pequeña, pasar de 1 a 4 metros no supone incrementar siquiera el 1% el rendimiento. En el caso del rendimiento de refrigeración (COPr), si hay un potencial de mejora más significativo que alcanza el 9% al pasar de 1 a 4 metros (figura 8). En ambos casos hay una distancia a partir de la cual no se aprecia una mejora.

80

climanoticias/Noviembre 2009

Figura 9. Influencia en el rendimiento de calefacción de la longitud (profundidad de pozos).

Figura 10. Influencia en el rendimiento de refrigeración de la longitud (profundidad de pozos).

De nuevo, al tratarse de una instalación con carga dominante de refrigeración, las mayores influencias se registran en el COPr. Duplicar la profundidad de los pozos, de 50 a 100 metros, supone una mejora del 27%.

SENSIBILIDAD AL MATERIAL DEL TERRENO En el método de cálculo empleado en el programa, el parámetro que recoge la influencia del terreno es la difusividad tér-

Tecnología en su Ahorro y eficiencia energética forma más natural: modular, en evolución, energéticamente mica =k/( •Cp) [m2/s] obtenida como el cociente entre la conductividad y la capacidad térmica. Terrenos con la misma difusividad térmica presentaeficiente. rán igual comportamiento.

CASO: Localidad: Madrid; Uso del edificio: Colegio; SAUTER EY-modulo.

Carga Calorífica Máxima: 30 kW.; Carga Frigorífica Máxima: 30 kW.; Equipo: Áurea IZE-160 de Ciatesa; Tipo de terreno: Varios ; Tubo borehole: 1 1/4” PN50A 16 bar; Tubo colector: 1 1/4” PN32 6 bar longitud 20 m.; 6 pozos separados 2 metros en configuración 3x2.

RESULTADOS:

Figura 11. Rendimiento de refrigeración en función de la longitud (profundidad de pozos) con distintos terrenos.

En la figura 11 se puede apreciar como los terrenos compuestos por roca, con mayores difusividades térmicas, precisan de una menor longitud de intercambiador (menor profundidad de los pozos). Además, la pendiente de las curvas es mucho más acusada, por lo que un pequeño error en el cálculo de la longitud puede conducir a importantes errores de diseño.

Sin embargo, en la zona de altas difusividades, la diferencia del tipo de material es menos crítica, las curvas están más próximas. Es en los terrenos de mala calidad, gravas, arenas y sedimentos, donde es más necesario realizar un test in situ para asegurar el valor de la difusividad térmica.

EFICIENCIA DE LAS BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS. Por todo lo expuesto anteriormente se puede deducir que el ciclo que realiza una bomba de calor geotérmica tiene una eficiencia más alta.

Si se analiza los rendimientos instantáneos de los equipos geotérmicos respecto a los convencionales aire-agua, expuestos en las tablas 1 y 2 ,vienen a refutar lo que predice el rendimiento ideal del ciclo de Carnot, por el que al tener unos saltos de temperatura menores y las temperaturas de condensación y evaporación más cercanas, la eficiencia del ciclo aumenta.

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climanoticias/Noviembre 2009

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artículo técnico Temperatura ambiente/agua condensación Equipo Aire – Agua Equipo Agua – Agua (geotérmico)

0 ºC 5 / 0 ºC

Temperatura evaporación

Temperatura agua interior

Temperatura condensación

COP

-9 ºC

40 / 45 ºC

50 ºC

2.5

-5 ºC

40 / 45 ºC

50 ºC

3.4

Temperatura agua interior

Temperatura evaporación

COP

58 ºC

7 / 12 ºC

2 ºC

1.9

35 ºC

7 / 12 ºC

2 ºC

4.7

Tabla 1. Ciclo de calor Temperatura ambiente/agua condensación Equipo Aire – Agua Equipo Agua – Agua (geotérmico)

40 ºC 25 / 30 ºC

Temperatura condensación

Tabla 2. Ciclo de frío

De esta forma, en ciclo de calor, la bomba de calor aire-agua, para unas condiciones iguales de temperatura de agua hacia la instalación, evapora contra un ambiente a 00C lo que hace que la temperatura de evaporación del refrigerante se encuentre en torno a los 90C, mientras que, en la bomba de calor geotérmica, el agua de evaporación está entre 0 y 50C, y la evaporación se sitúa en torno a los -50C. Por ello, la bomba de calor aireagua tiene un COP de 2.5 y la geotérmica de 3.4.

Si observamos el ciclo de frío la mejora es mayor. Con condiciones iguales de temperatura de agua hacia la instalación, la bomba de calor trabaja contra un aire a 400C con lo que el refrigerante condensa a 580C, mientras que la bomba de calor geotérmica trabaja con agua a 25-300C, por tanto, el refrigerante condensa a 350C. Por ello, la bomba de calor aire-agua tiene un COP de 1.9 mientras que la geotérmica sube hasta 4.7.

Los rendimientos instantáneos son importantes porque muestran las condiciones que se consideran nominales para el funcionamiento de un equipo. Si bien, lo que realmente califica la eficiencia de un equipo es el rendimiento medio estacional (Cooling Seasonal Performance Factor (CSPF) y el Heating Seasonal Performance Factor (HSPF)), para ello se suma la energía calorífica o frigorífica aportada a lo largo de un año y se divide entre la energía consumida en dicho periodo. En esto se basan los programas oficiales de certificación energética (Calener) que se usan para la calificación de viviendas y edificios según lo establecido en el Real Decreto 47/2007 del 19 de enero de 2007.

82

climanoticias/Noviembre 2009

Si analizamos los rendimientos medios estacionales de las bombas de calor geotérmicas respecto a las bombas de calor aire-agua la diferencia a favor de las primeras se hace aún mayor.

Esto se produce puesto que, las condiciones a lo largo del año, para las bombas geotérmicas, son mucho más estables y cercanas a las temperaturas de confort que las mismas para las bombas de calor aire-agua. Otro de los factores que las benefician es que en ellas no se producen los desescarches, lo cual afecta al rendimiento medio estacional.

Si nos basamos en los datos del proyecto GEOCOOL, Ground Source Heat Pump System for Cooling and Heating in the South European Region. Publishable Final Report. V FP. Contract nº NNE5/2001/847, tenemos los siguientes datos.

Para las condiciones estudiadas en el proyecto GEOCOOL, el rendimiento medio estacional de calefacción (HSPF), calculado por modelos matemáticos, era de 2.96 en el caso de la bomba de calor aire-agua y de 3.9 para en el caso de la bomba geotérmica. Sin embargo, los resultados experimentales de esa instalación concreta, mostraron un HPSF de 2 para la bomba convencional mientras que el de la geotérmica sólo disminuyó hasta 3.46.

Para la temporada de refrigeración, el rendimiento medio estacional (CSPF) calculado para las bombas de calor aire-agua era de 2.82 y para la geotérmica de 4.6. Así mismo, los valores experimentales ofrecieron datos algo más bajos. Para la bomba de calor aire-agua 2.68 y para la geotérmica 4.36.

Con todos estos datos queda demostrada la diferencia en eficiencia que existe entre ambas tecnologías. Las bombas de calor geotérmicas pueden llegar a mejorar un 60-75 % los rendimientos medios estacionales. ■

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